Excellente présentation du principe anthropique en 1986, principe qui n’a pas connu un véritable développement depuis…
(Extrait de la revue Autrement : La science et ses doubles. No 82. Septembre 1986)
Quelle est la place de l’homme dans le cosmos ? L’apparition de la vie terrestre, puis de la conscience, résulte-t-elle du hasard, ou bien d’une certaine intention ? L’existence même de l’univers dépend-elle de notre propre existence ? Le principe anthropique, se fondant sur certains résultats de la cosmologie moderne, paraît apporter un début de réponse — très controversée — à des questions essentielles laissées depuis longtemps au seul examen des philosophes et des théologiens. Sans aucun doute, on peut voir dans les débats qui agitent le milieu des astrophysiciens anglo-saxons depuis une quinzaine d’années, une splendide illustration de ces moments où les scientifiques sortent de leurs laboratoires pour monter en chaire et prêcher leur vérité. Le principe anthropique n’est-il ainsi qu’un flagrant délit de divagation prophétique commis par quelques astrophysiciens illuminés ? Ou bien jette-t-il enfin les fondements tant attendus d’une nouvelle vision des rapports entre l’homme et l’univers ?
LES CONSTANTES DE LA PHYSIQUE
L’évolution de n’importe quel système — y compris de l’univers dans son ensemble — peut être prédite, à l’aide d’une théorie physique, pour peu qu’on possède trois éléments :
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des lois traduites sous une forme mathématique,
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des conditions initiales décrivant l’état du système à un moment donné,
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et enfin, des constantes numériques qui entrent dans la formulation des lois.
Il existe dans les théories actuelles plusieurs dizaines de constantes numériques fondamentales. Les plus connues sont la constante de la gravitation universelle G, la vitesse de la lumière c, la charge électrique élémentaire e ou encore la constante de Planck h. Ces constantes sont irréductibles, c’est-à-dire que, dans l’état actuel de nos connaissances, elles ne sont pas calculables à partir de nos théories, mais seulement mesurées dans les laboratoires. Personne ne sait pourquoi elles ont les valeurs observées — pourquoi, par exemple, c = 299 792,5 km/s. En fait, jusqu’à ces dernières années, rien ne semblait interdire a priori un univers où ces constantes auraient des valeurs nettement différentes, où, par exemple, c ne vaudrait que 10 km/s.
En 1974, l’astrophysicien anglais B. Carter fit remarquer qu’il y avait au moins une bonne raison pour que la constante de la gravitation G ait la valeur observée, et pas une autre. En effet, l’existence et les propriétés des étoiles dépendent d’un équilibre délicat, très sensible à la valeur de G. Si G était plus élevé ou plus faible de quelques pour cent seulement, toutes les étoiles seraient bleues et très chaudes ou rouges et très froides. Les conséquences sur notre existence seraient dramatiques. Il n’y a probablement pas de planètes en orbite autour des étoiles bleues qui, en tout cas, durent trop peu de temps (quelques centaines de millions d’années) pour permettre à la vie d’apparaître et de se développer dans leur voisinage. Rappelons qu’après la formation de la Terre, il a fallu attendre environ un milliard d’années la naissance de la vie élémentaire, et 4,5 milliards d’années l’apparition de l’homme. Quant aux étoiles rouges, elles réchauffent si peu les planètes qui pourraient éventuellement se trouver en orbite, que l’eau n’y existerait pas sous forme liquide — autre condition nécessaire, semble-t-il, à l’apparition de la vie. En tout état de cause, la vie de l’homme sur terre aurait été impossible avec une valeur de G légèrement différente. Dès lors, la raison pour laquelle G a la valeur mesurée et pas une autre, c’est que si G avait une autre valeur, il n’y aurait tout simplement pas de physiciens pour s’en apercevoir.
PRINCIPE FORT ET PRINCIPE FAIBLE
Carter énonce donc ainsi le principe anthropique (du grec anthropos : homme) : « Ce que nous pouvons nous attendre à observer est restreint par les conditions nécessaires à notre présence en tant qu’observateurs. » Il distingue ensuite une version faible et une version forte de ce principe.
Le principe faible pose en fait peu de problèmes. Il constitue « une réaction contre une soumission exagérée au principe de Copernic ». Copernic nous a enseigné que nous n’occupions pas une place centrale dans l’univers. Certes, notre position n’est pas centrale, mais elle est inévitablement privilégiée dans la mesure où nous n’avons pu apparaître que dans une région de l’univers et à une époque permettant notre existence. Nous ne devons pas être surpris de l’apparition de la vie autour du Soleil, une étoile jaune, de température intermédiaire, stable pendant une longue durée (10 milliards d’années), dont la Terre se trouve distante de 150 millions de km, à l’intérieur du tout petit domaine (142 à 151 millions de km) qui permet l’existence de l’eau liquide. La masse de la Terre est celle qui autorise tout à la fois l’existence d’une croûte solide et d’une atmosphère. Le physicien américain R. Dicke a de la même façon « expliqué », en 1961, pourquoi l’âge de l’univers, au moment où nous le mesurons, est d’environ quinze milliards d’années. Il doit nécessairement être supérieur à la durée de vie d’une étoile moyenne (dix milliards d’années environ) parce que la matière qui nous constitue (carbone, azote, oxygène, etc. — exception faite de l’hydrogène) a été fabriquée et éjectée dans l’espace interstellaire par les étoiles qui ont existé avant la formation de notre système solaire. Or l’éjection de ces éléments essentiels n’est intervenue qu’à la fin de la vie de ces étoiles. Un univers si vieux, et en expansion depuis son origine, est forcément très grand. Ici encore, nous n’aurions pu apparaître avant que l’univers ait à peu près l’extension que nous observons.
Beaucoup plus profondes, semble-t-il, sont les conséquences du principe fort. Il met en évidence le fait que des propriétés différentes de l’univers dans son ensemble, et pas seulement de notre environnement local, n’auraient pas permis l’apparition de la vie terrestre et de l’homme. Il s’illustre par une série de coïncidences curieuses du genre de celle mentionnée par Carter. Les premières coïncidences concernent quelque chose comme les « conditions initiales » de l’univers. On sait que celui-ci a commencé à partir d’une singularité, le Big Bang, et se trouve depuis en expansion. Si la densité de l’univers primordial est inférieure à une certaine valeur, appelée densité critique, l’expansion continuera indéfiniment. L’univers est alors ouvert infini, et sa courbure est négative. Au contraire, si sa densité est supérieure à la densité critique, l’expansion aura un terme et sera suivie d’une période de contraction jusqu’à une nouvelle singularité. L’univers est fermé, fini, a une courbure positive et une durée limitée. Dans un cas comme dans l’autre, la géométrie est non-euclidienne.
Il se trouve que la densité de l’univers est très proche de la densité critique, et sa courbure presque nulle, ce qui correspond à une géométrie euclidienne et à une expansion infinie, mais « de justesse ». Nul ne sait pourquoi les conditions de l’univers primordial ont amené cette coïncidence, qu’on appelle le problème de la « platitude ». Un tel univers est nécessairement très isotrope, c’est-à-dire qu’il se dilate de la même façon dans toutes les directions. Les astrophysiciens anglais B. Collins et S. Hawking ont montré, en 1973, que seul un univers proche de la platitude pouvait permettre la formation des galaxies et donc des étoiles, condition nécessaire à l’apparition de l’homme. « L’isotropie de l’univers et notre existence résultent toutes deux du fait que l’univers se dilate presque à l’allure critique. Dès lors que nous ne pourrions pas observer un univers différent si nous n’étions pas là, on peut dire, en un certain sens, que l’isotropie de l’univers est une conséquence de notre existence. »
Dans les premières minutes du refroidissement de l’univers (après le Big Bang), celui-ci devient apte à fabriquer des noyaux d’hélium à partir des noyaux d’hydrogène. La formation des noyaux plus complexes s’effectue dans le cœur des étoiles. C’est la nucléosynthèse. Une partie de ces éléments est finalement rejetée dans le milieu interstellaire. Comme l’ont remarqué, en 1979, les astrophysiciens anglais B.J. Carr et M.J. Rees, si les constantes impliquées dans la nucléosynthèse différaient de quelques pour cent de leur valeur observée, ces nombreuses étapes ne seraient pas possibles : tout l’hydrogène se serait transformé en hélium (donc l’eau ne pourrait pas exister), ou les étoiles ne seraient pas stables, ou les noyaux complexes ne pourraient pas se former, ou les éléments lourds resteraient à jamais prisonniers des étoiles. La coïncidence la plus étonnante concerne la fabrication des noyaux de carbone. Ils ne peuvent se former à partir d’un noyau de béryllium et d’un noyau d’hélium que parce qu’il existe une résonance, c’est-à-dire un état excité, du carbone dont la masse est, par un heureux « hasard », juste au-dessus de la somme des masses de béryllium et de l’hélium. En revanche, la fabrication de l’oxygène à partir du carbone et de l’hélium est plus difficile parce qu’il n’y a pas de résonance favorable. Ainsi le carbone peut-il exister en quantités importantes. Sans éléments comme le carbone, il n’y aurait pas de chimie, ni même de chimistes pour se désoler de cette absence ! En 1983, l’astrophysicien anglais J. Barrow a ajouté à ces coïncidences anthropiques le fait que l’espace a trois dimensions. Si la structure des lois physiques est indépendante de cette condition, on peut en revanche montrer que les orbites planétaires stables, les états électroniques stables dans les atomes, et la propagation des signaux sans déformation, ne sont possibles que dans un espace à trois dimensions. Ces propriétés entraînent respectivement la relative stabilité des conditions climatiques sur les planètes, l’existence des liaisons chimiques et la possibilité des transferts d’informations, conditions nécessaires, croit-on, à la vie.
La liste de ces coïncidences bizarres n’est pas close. De nombreuses constantes de la nature semblent donc ajustées providentiellement, en ce sens que notre vie — voire toute vie dans l’univers — eût été impossible sans cet ajustement. C’est ici que commencent, avec la perplexité des astrophysiciens, des interprétations s’inspirant de philosophies étonnamment divergentes.
LE RETOUR DE DIEU ?
La première série d’interprétations consiste en un retour, plus ou moins clairement énoncé, au finalisme. L’existence de l’homme y devient en quelque sorte le « projet » de l’univers, ou de son Créateur. L’intention sourde de la matière transparaît sous les métaphores poétiques. H. Reeves écrit ainsi, dans son livre remarquable, Patience dans l’azur, que « l’histoire du cosmos, c’est l’histoire de la matière qui s’éveille », et ajoute : « Il y a eu des crises dans cette grande ascension cosmique. Certaines furent graves. Par instants, tout semblait sérieusement compromis. Mais l’univers est inventif. Il a toujours su sortir de la crise. » En 1971, le physicien américain F. Dyson s’interroge sur la signification des « retards apparemment accidentels » qui ont ralenti l’inévitable dégradation de l’énergie gravitationnelle et ont ainsi permis l’apparition de l’homme : « Lorsque nous explorons l’Univers et identifions les nombreux accidents de la physique et de l’astronomie qui ont œuvré à notre avantage, il semble presque que l’Univers ait dû, en un certain sens, savoir que nous allions venir. » Beaucoup y ont vu une justification de leur foi en un Dieu créateur et infiniment bon. N’oublions pas que le principe anthropique est apparu dans des milieux anglo-saxons, probablement pétris de la pensée newtonienne où les lois mathématiques sont une manifestation de l’immanence divine. Dyson croit l’Univers « amical ». Le principe anthropique est ainsi l’occasion d’un retour inattendu de la preuve dite téléologique — tant critiquée par Kant — qui se fonde sur la finalité harmonieuse et ordonnée du cosmos, pour déduire l’existence d’un Dieu intelligent.
LES UNIVERS MULTIPLES
De nombreux physiciens ont cependant rejeté vigoureusement ces interprétations finalistes. Ils font remarquer que, dans la mesure même où elles paraissent « naturelles » et « satisfaisantes », elles n’ont jamais fait avancer la science. On ne peut pas créer une biologie à partir de l’argument trop fameux avancé par Bernardin de Saint-Pierre, dans ses Études de la nature, pour justifier l’existence de fruits divisés par quartiers : ils « semblent destinés à être mangés en famille ». Reste alors à expliquer les coïncidences dévoilées par le principe anthropique. Pour cela, ne suffit-il pas simplement de supposer que notre univers n’est pas unique ? Il fait partie d’un ensemble d’univers dans lesquels les conditions initiales et les constantes fondamentales sont fixées aléatoirement. Dès lors, nous ne prenons conscience que d’un univers où ces paramètres sont favorables, en vertu de l’indiscutable version faible du principe anthropique. Une interprétation en ce sens a été proposée par H. Everett en 1957, puis poursuivie par J. Wheeler, N. Graham et B. De Witt. Elle est fondée sur une « lecture » des principes de base de la physique quantique. On se rappelle que cette théorie ne permet pas de prédire de façon déterministe le résultat d’une mesure sur un système, mais seulement les probabilités d’une série de résultats possibles. On a beaucoup discuté pour savoir si cette incertitude était simplement un reflet de notre ignorance des paramètres fondamentaux faisant évoluer l’ensemble appareil de mesure/système à mesurer, ou si elle s’inscrivait dans la nature même des phénomènes. L’hypothèse d’Everett et de ses continuateurs est qu’au moment de toute mesure, ou de toute interaction similaire entre deux systèmes, l’univers se divise en autant de branches d’univers qu’il y a de résultats possibles, chaque branche existant « parallèlement » aux autres. Les théoriciens préfèrent dire que les branches sont « orthogonales » et démontrent qu’elles ne peuvent pas communiquer entre elles. Depuis le Big Bang s’est ainsi formée une multitude d’univers. Nous-mêmes, les observateurs, ne serions que des automates, des appareils de mesure sophistiqués. Nous enregistrons le résultat de nos observations et nous nous divisons à chaque mesure, chacune de nos branches croyant « prendre conscience » de ce résultat dans son univers, qu’elle croit être le seul monde réel. Cette prise de conscience n’est en fait qu’un épiphénomène. La seule réalité est constituée par les phénomènes d’interaction physicochimiques — donc quantiques en dernière analyse — à l’intérieur de nous-mêmes. Puisque les constantes fondamentales peuvent être traitées comme des résultats de mesure, il est normal, ici encore, que nous nous mouvions seulement dans les univers qui ont depuis le début les valeurs favorables. De Witt admet que cette interprétation est un peu « schizophrénique ». Le plus savoureux est qu’elle ne peut être réfutée sur la seule base de la théorie quantique. Bien sûr, ce n’est pas une raison pour qu’elle mérite notre adhésion.
LA COSMOLOGIE AUTORÉFÉRENTIELLE
En réaction contre cette « prolifération » d’univers, certains théoriciens, dont Wheeler lui-même, se sont inspirés d’une autre « lecture » de la physique quantique, proposée par Eugène Wigner. Celui-ci s’intéresse à ce qui se passe au moment d’une observation : pourquoi l’ensemble appareil de mesure/système à mesurer choisit-il un résultat parmi tous les résultats possibles ? Wigner pense que c’est l’esprit conscient de l’observateur qui fait finalement basculer le système dans un des états possibles. L’observateur est donc plus un participant qu’un spectateur; il crée à proprement parler le phénomène. Dès lors que cette action sur le système à mesurer est indépendante de la séparation spatiale et agit rétroactivement dans le temps, espace et temps semblent donc des catégories moins fondamentales que les principes quantiques. Wheeler introduit alors la notion de cosmologie autoréférentielle : puisque la conscience est nécessaire à l’existence de la matière, seuls les univers abritant cette conscience sont possibles. L’univers permet notre apparition en tant qu’êtres conscients parce que c’est notre conscience qui, en observant l’univers et en lui donnant un sens, l’amène littéralement à l’existence, aussi bien dans son présent que dans son passé.
Dans cette école de pensée, il faut enfin mentionner l’idée étonnante du mathématicien américain F. Tipler. Pour qu’elle soit possible, deux clauses doivent être vérifiées : l’univers doit être fini, et son effondrement doit produire une singularité d’un certain type. Tipler imagine que la conscience n’aura survécu, dans ce futur lointain, très chaotique et très chaud, qu’en se « programmant » sur les particules élémentaires. Il montre que cette conscience pourra alors parvenir, avant l’effondrement final, à une infinité de pensées. La conscience devient ainsi asymptotiquement omnipotente, omnisciente et omniprésente au fur et à mesure qu’elle se rapproche de la singularité. Dans cet acte de connaissance infinie, elle amène rétroactivement toutes les propriétés passées de l’univers à l’existence, selon le schéma de la cosmologie autoréférentielle. L’univers existe donc en fonction de cette observation ultime qui synthétise toutes les autres, de ce point oméga dont Tipler emprunte le nom à Teilhard de Chardin. Tipler croit fermement que les clauses préliminaires sont vérifiées en raison du principe anthropique, le point oméga, cette prise de conscience infinie aux derniers instants du cosmos étant, selon lui, la seule façon d’amener rétroactivement l’univers à l’existence !
L’UNIVERS ÉMERGENT
On aura constaté que la controverse sur le principe anthropique a provoqué la résurgence de bien des courants philosophiques et religieux, du finalisme à l’idéalisme métaphysique, de l’eschatologie teilhardienne à l’archiréalisme matérialiste des univers multiples. Sous la pratique scientifique se révèle la poussée des motivations métaphysiques. Et l’on voit bien qu’il n’y a pas de « philosophie naturelle » unique suggérée par la cosmologie moderne. Si la valeur d’une théorie est mesurée à son pouvoir de prédiction, force est de constater que le bilan demeure ici tout à fait modeste. Certes, un raisonnement similaire a permis à F. Hoyle de postuler, en 1954, sur la base de notre seule existence, la réalité de la résonance du noyau de carbone, qui fut confirmée par la suite au laboratoire. Mais, comme le remarquent Carr et Rees, le principe anthropique permet de prévoir seulement les ordres de grandeur des constantes, non leur valeur exacte. Il fonctionne surtout a posteriori. Beaucoup d’astrophysiciens restent donc très réticents envers une idée qui réside aux marges, hésitant entre la science et la philosophie, et qui s’avère pour l’instant si peu féconde.
Alors, le principe anthropique ne serait-il en fait que l’histoire d’une « déviation » scientifique ? Soyons plus nuancés. Avouons qu’on peut légitimement s’étonner des coïncidences entre constantes. Si, un jour, ces constantes et les conditions initiales dérivent d’une seule théorie, voire de l’énoncé d’une seule loi, en une espèce de « super-unification » de la physique dont rêvent bien des chercheurs, il restera que cet énoncé unique sera justement celui qui « aura permis » notre existence ! Il y a là un lien très fort entre l’univers et l’homme, une « connivence » qui n’est pas sans rappeler les correspondances que percevait l’antique Tradition entre macrocosme et microcosme. L’univers a donc eu la possibilité « providentielle » de soumettre ses formes complexes, évolutives, à l’investigation des astronomes, des physiciens, des biologistes, et parfois des philosophes. C’est cette notion d’émergence apparemment imprévisible des structures qui caractérise finalement le mieux la cosmologie contemporaine. Le principe anthropique est un des exemples les plus curieux de ces émergences. Nul doute que leur contemplation constitue aujourd’hui un puissant moteur psychologique pour l’inventivité du scientifique, quelle que soit l’« école de pensée » dont il se réclame.
BRUNO GUIDERDONI
Bruno Guiderdoni astrophysicien, spécialiste de la formation et de l’évolution des galaxies, directeur de l’observatoire de Lyon et de l’Institut des hautes études islamiques.