Comment mesurons-nous l’univers, et nous y prenons-nous mal ? Le physicien Brian Cox dévoile les présupposés cachés derrière nos unités de mesure, montrant comment la perspective humaine déforme notre compréhension de l’espace, du temps et de l’échelle. Cox explore les constantes fondamentales — comme la vitesse de la lumière, la constante de Planck et la gravité — qui sous-tendent le tissu même de notre univers.
Mesures basées sur la biologie
Lorsque nous pensons à la taille des choses, nous avons tendance à y penser en référence à nous-mêmes. Le pied, le mètre, le pouce ou le centimètre, qu’est-ce que c’est ? En fin de compte, historiquement, elles sont basées sur les propriétés du corps humain, donc sur la biologie. Et c’est ce que nous avons fait historiquement, car pourquoi faire autrement ?
Est-ce fondamental ? La réponse est non. Cela ne nous apprend rien de profond sur la structure profonde de l’univers. Mais bien sûr, l’histoire de la physique nous apprend — au fur et à mesure que nous avançons dans les XVIIe, XVIIIe, XIXe, XXe siècles — que nous commençons à comprendre qu’il y a des choses qui sont bien plus grandes que nous et bien plus petites que nous. Nous cherchons, je suppose, des unités de mesure que l’on pourrait imaginer universelles si nous rencontrions des extraterrestres d’une autre civilisation. Ils n’auraient peut-être même pas de bras, n’est-ce pas ? Ou des pieds. Mais ils pourraient être très différents de nous en taille et en échelle. Quel serait alors le langage commun ? Existe-t-il une unité de mesure sur laquelle nous pourrions tous nous mettre d’accord ?
3 grandeurs fondamentales
Quelles sont les grandeurs fondamentales, pour autant que nous puissions en juger, qui nous renseignent réellement sur la structure de la nature ?
La vitesse de la lumière
L’une d’entre elles serait donc la vitesse de la lumière. Tout ce qui est sans masse voyage à la vitesse de la lumière, à cette vitesse, quelle qu’elle soit. Si vous avez une masse quelconque, vous ne pouvez pas voyager, vous ne pouvez pas accélérer jusqu’à cette vitesse.
La force de gravité
Une autre serait l’intensité de la force gravitationnelle. Quelle est donc la force qui s’exerce entre deux objets d’une masse donnée ? Ou, selon la théorie d’Einstein, comment une quantité particulière de matière ou d’énergie déforme-t-elle le tissu de l’univers ? La constante gravitationnelle de Newton, mesurée pour la première fois dans les années 1780 ou 1790, est le chiffre qui nous renseigne sur ce point.
La constante de Planck
Et puis il y a la constante de Planck elle-même. En 1900, Max Planck a fait une proposition révolutionnaire. On pourrait dire, par exemple, qu’il existe une limite fondamentale à la précision avec laquelle nous pouvons connaître la position d’une particule et sa quantité de mouvement. On ne peut pas les connaître toutes les deux avec une précision absolue. Il y a une limite fondamentale, et elle est de l’ordre de la constante de Planck.
Planck l’a introduite pour la première fois dans le contexte de la fréquence ou de la longueur d’onde de la lumière émise par des objets chauds. Photons : quelle est l’énergie d’un photon ? Un paquet de lumière : c’est la constante de Planck multipliée par la fréquence.
Ces trois éléments, la vitesse de la lumière, la force de gravité et la constante de Planck permettent de définir certaines distances, une distance particulière appelée longueur de Planck. Il s’agit d’une longueur minuscule. Elle est d’environ 10 puissance moins 35 (10-35) mètres. Zéro virgule trente-cinq zéros, un mètre. Nous avons donc cette échelle de longueur fondamentale, semble-t-il, dans l’univers. Inimaginablement petite. Comment se la représenter ?
Si vous prenez un proton et que vous l’agrandissez à la taille de notre système solaire — imaginez donc le noyau d’un atome d’hydrogène — et que vous l’agrandissez à la taille de notre système solaire, à l’orbite de Neptune. Alors, quelque chose de la taille de la longueur de Planck s’étendrait, par exemple, à un virus ou à une cellule vivante.
Ainsi, le rapport de taille entre la longueur de Planck et la cellule, que nous pouvons à peu près voir au microscope, est le même que celui qui existe entre un proton et le système solaire.
Il est incroyablement petit.
Observer une longueur de Planck
Alors, comment observer quelque chose de très petit ?
Pour voir cette petite chose, il faut l’éclairer avec une très petite longueur d’onde. La longueur d’onde ne peut pas être plus grande que la petite chose, sinon vous ne la verrez pas. Mais souvenez-vous que la mécanique quantique nous dit que plus la longueur d’onde de la lumière est petite, plus l’énergie des photons est élevée.
Je dois donc commencer à bombarder cette chose avec des photons de plus en plus énergétiques pour la voir. Que se passe-t-il si vous essayez d’approcher quelque chose de la taille de la longueur de Planck ? Il y a tellement d’énergie concentrée là-dedans que ce que vous faites, c’est former un trou noir. Puis on y met plus d’énergie, on essaie de voir ce qui se passe, et le trou noir grandi. On arrive ainsi à un point, autour de la longueur de Planck, où il devient, en principe, impossible de tenter de résoudre la structure de cette chose.
Je pense donc qu’il est légitime d’affirmer que, compte tenu de ce que nous savons de l’univers, des mesures que nous faisons de la force de gravité, de la constante de Planck et de la vitesse de la lumière, il y a quelque chose de fondamental dans cette longueur minuscule, de 10 puissance moins 35 mètres.
Distance par rapport aux planètes
Bien sûr, les choses dont nous pouvons vraiment avoir une idée sont celles qui se situent autour de quelques pouces, quelques centimètres ou quelques mètres. Mais lorsqu’on commence à parler de la distance jusqu’aux planètes ou jusqu’au Soleil — ce qu’on appelle l’unité astronomique — 93 millions de miles, que signifie 93 millions de miles ?
Regardez donc la lune. La lune a le même rayon que le soleil dans le ciel. Vous le savez grâce aux éclipses solaires totales. Il s’agit d’une coïncidence due à l’évolution de notre système solaire, mais c’est une belle coïncidence. Nous pouvons donc peut-être imaginer à quoi ressemble le Soleil dans le ciel à 93 millions de miles de distance.
Le Soleil peut contenir un million de Terres. Comment concevoir cela ? Le rayon est environ 100 fois supérieur à celui de la Terre. Cela signifie que si vous êtes à bord d’un avion de ligne, il vous faudra environ un an pour faire le tour du Soleil. Cela devient inconcevable. Et le Soleil est une étoile plutôt petite. Ensuite, nous commençons à penser à des distances plus grandes.
Ainsi, l’objet le plus éloigné que nous ayons construit, la sonde Voyager 1, se trouve aujourd’hui à plus de 150 unités astronomiques de la Terre, soit 150 fois la distance Terre-Soleil.
Qu’est-ce que cela signifie ? Il faut plus de 22 heures à la lumière pour l’atteindre. Il faut donc un signal à la vitesse de la lumière pour atteindre l’objet le plus éloigné avec lequel nous sommes en communication, et qui voyage depuis les années 1970. Ensuite, nous avons 365 fois cela : une année-lumière, ce qui correspond à la limite glacée de l’influence du Soleil, la limite du nuage d’Oort. Quatre fois plus loin, vous atteignez l’étoile la plus proche, Proxima Centauri, dans le système d’Alpha Centauri, qui se trouve à environ quatre années-lumière.
C’est donc inconcevable. Ensuite, on commence à parler de… eh bien, de la galaxie. La Voie lactée — nous sommes tous en orbite autour du centre de la Voie lactée — quelle est la taille de cet ensemble d’étoiles ? Entre 200 et 400 milliards de soleils dans la Voie lactée, qui s’étend sur environ 100 000 années-lumière.
Puis vous vous dites : « Et la galaxie la plus proche ? » Vous sortez donc par une nuit claire, sans lune, dans l’obscurité, loin des lumières de la ville. Si vous savez où regarder, vous pouvez à peu près voir la grande galaxie voisine la plus proche. Il s’agit de la galaxie d’Andromède.
Distance aux autres galaxies
Cette galaxie se trouve à deux millions et demi d’années-lumière. Cela signifie que la lumière qui pénètre dans votre œil a commencé son voyage avant que nous n’ayons évolué sur Terre. Et ensuite on commence à se demander ce qu’il en est des autres galaxies.
Nous avons donc mesuré les galaxies jusqu’aux confins de l’univers observable avec des instruments, tels que le télescope spatial James Webb, dont la lumière a voyagé pendant plus de 13 milliards d’années avant de nous parvenir. 13 000 millions d’années pour arriver jusqu’à nous. Et l’univers s’est dilaté pendant tout ce temps.
La chose la plus éloignée que l’on puisse voir dans l’univers et dont on peut détecter la lumière s’appelle le fond diffus cosmologique. Le fond diffus cosmologique est une lumière émise 380 000 ans après le Big Bang. Elle a donc voyagé pendant environ 13,8 milliards d’années à travers l’univers pour arriver jusqu’à nous.
Mais si vous posez la question, où se trouve cet endroit aujourd’hui ? L’endroit d’où a été émis ce photon du fond diffus cosmologique, celui qui a traversé l’univers pendant 13,8 milliards d’années jusqu’à nos détecteurs ? Où se trouve-t-il aujourd’hui ? Parce que l’univers est en expansion.
Vous obtenez une réponse, qui est quelque chose comme 46 milliards d’années-lumière aujourd’hui. On pourrait donc dire : « Le rayon de l’univers est d’environ 92 milliards d’années-lumière ». Ce n’est pas le cas, car nous savons qu’il y a plus d’univers au-delà. C’est tout ce que nous pouvons observer.
L’univers, pour autant que nous le sachions, et, compte tenu de la précision de nos mesures actuelles, pourrait être infini. Et cela est véritablement inconcevable.
Lorsque nous contemplons la taille et l’échelle de l’univers et la place que nous y occupons, ce que nous sommes obligés de faire lorsque nous pensons aux échelles de distances, à la taille et à l’âge de l’univers, je pense qu’il est tout à fait naturel de conclure que nous ne comptons pas du tout.
Mais l’une des grandes joies du scientifique, c’est qu’il peut rencontrer un point de vue et se dire : « Je n’y avais pas pensé ». C’est ce qui m’est arrivé récemment. Je lisais un livre de David Deutsch, l’un des grands, l’un des fondateurs de l’informatique quantique. Il a soulevé un point que j’avais déjà entendu dans un livre intitulé « The Anthropic Cosmological Principle » (Le principe cosmologique anthropique) de John Barrow et Frank Tipler, qui m’a beaucoup influencé. Mais David Deutsch, Barrow et Tipler ont souligné qu’il n’est pas nécessairement vrai que la vie restera toujours une tache ou un point minuscule — que la vie restera insignifiante à l’échelle cosmique.
Il ne faut pas le croire, car, si la vie persiste suffisamment longtemps et devient suffisamment savante et puissante, elle pourrait être en mesure d’influencer des structures plus vastes, pas seulement des planètes et des systèmes solaires, peut-être même des galaxies. On pourrait presque dire que la vie manipule l’univers de manière à devenir immortelle, et c’est une très belle idée.
Brian Cox est professeur de physique des particules à l’université de Manchester, professeur de la Royal Society pour l’engagement du public dans la science et chercheur invité au Creek Institute.
Texte original publié le 14 mai 2025 : https://bigthinkmedia.substack.com/p/brian-cox-on-the-incomprehensible