Penser la complexité du monde : 7) La matière, l’Univers

Ce que les physiciens nous disent de l’Univers et de la matière est proprement déroutant. La physique des XXème et XXIème siècle a élargi, hors de portée d’une imagination ordinaire, la dimension de l’Univers. Parallèlement, à l’autre bout de l’échelle, elle a fait éclater l’atome, autrefois conçu comme le composant premier et insécable de la matière, en particules bizarres et en forces qui ne le sont pas moins.

La matière, quoi de plus ordinaire, de plus familier au premier abord ! C’est concret, corporel ; ça se voit ; ça se touche. La science contemporaine nous en fait un tout autre portrait. Un portrait surprenant. La matière ordinaire, à l’échelle subatomique, est constituée de particules de matière proprement dite – l’électron et les quarks up et down, ces derniers liés pour former les protons et les neutrons – et des particules de force – le photon qui porte la force électromagnétique et agit sur les particules de matière, et le gluon qui transmet une force, qualifiée de forte, et interagit avec les quarks, qui ont une charge forte, tout en ignorant les électrons qui en sont privés. Soit. Mais le tableau du modèle physique dit ‘standard’ ne serait pas complet si l’on omettait l’antimatière et d’autres particules : des quarks étranges, des neutrinos, des muons, des bosons… Particules et antiparticules sont régies par les principes bizarroïdes de la mécanique quantique. Je renvoie les lecteurs intéressés à la note de lecture publiée sur ce blog le 14 septembre 2024 sous l’intitulé « Helgoland, le sens de la mécanique quantique » de Carlo Rovelli. Je complèterai, dans ce billet sans prétention, l’appréhension de la notion de matière, infiniment plus complexe que l’idée que l’on s’en fait couramment, à partir de la lecture d’un autre livre, celui du physicien Guido Tonelli intitulé « La matière : une magnifique illusion » publié aux éditions Dunod en 2024.

Une illusion ? L’illusion qui veut que les constituants ultimes de la matière soient du solide et du persistant. Or notre corps par exemple, si familier, visible, tangible, est en grande partie constitué de vide. Le volume occupé par les quarks, les gluons et les électrons qui le composent est négligeable. Ils ne peuvent être vus ni touchés et ils obéissent à des règles différentes de celles qui régissent le monde macroscopique. Ce sont des ondes et en même temps des particules, liées à d’autres particules par des relations extravagantes, des états matériels changeants… « Enfin tout n’est qu’une forme de vide » écrit G. Tonelli. Quant aux constantes fondamentales de la nature, telles que la vitesse de la lumière ou la constante de Planck, les savants en constate le caractère opératoire mais ne comprennent pas du tout d’où elles viennent… Le concept de matière qu’utilise la physique contemporaine est profondément différent du concept traditionnel d’un espace et d’un temps éternels et immuables dans lesquels évoluent des formes matérielles intrinsèquement persistantes. Très différent de notre réalité d’un monde à trois dimensions.

Il en va de même de la représentation de l’Univers, un Univers qui nait spontanément du vide, qui est encore un état de vide, mais un vide qui n’est pas vraiment vide, composé principalement d’énergie sombre et de matière noire. Et l’espace et le temps ne sont plus, à cette échelle, des entités absolues et indépendantes.

L’Univers. Comment se représenter un ensemble de galaxies regroupant des dizaines à des centaines de milliards d’étoiles parmi lesquelles notre modeste soleil au sein de celle appelée Voie lactée ? Notre soleil, une étoile, énorme concentration de plasma, un gaz ionisé, dans lequel les atomes ont perdu un ou plusieurs électrons et deviennent électriquement chargés, un état différent des états solide, liquide et gazeux ordinaires. Comment penser les ‘trous noirs’, dont les plus imposants, dits supermassifs, ont une masse comprise entre un million et dix milliards de masse solaire, qui se trouvent au centre de presque toutes de ces galaxies ? La matière des étoiles ordinaires, des étoiles naines, des étoiles à neutrons et des trous noirs ne représentent qu’une infime partie de la masse totale de l’Univers. Entre 0,5 et 1% de la masse totale. Le reste, l’espace interstellaire et intergalactique, une matière fine et impalpable de très faible densité, un espace vide presque vide, ne compte que pour 4% de la masse totale de l’Univers. Il manque 95% ! Il s’agit de la matière noire qui représente 27% de la masse de l’Univers, une substance mystérieuse, de l’énergie sombre (ou noire), totalement inconnue qui représente 68% de cette masse. « Malgré les grandes avancées de la science contemporaine, nous sommes obligés d’admettre que nous ne savons rien de 95% de toute ce qui nous entoure » constate G. Tonelli.

Enfin viennent les questions ultimes. Avant le Big Bang : quoi ? D’où vient l’Univers ? Il ne suffit pas de parler d’une singularité pour tout expliquer. Pour tenter d’obtenir une réponse, je laisse la parole à Guido Tonelli. « La réponse de la physique contemporaine est : du vide. Mais attention, le vide n’est pas le néant (…) L’état de vide d’un système matériel est défini comme l’état d’énergie minimale (…) Le vide, comme tout état matériel, doit obéir aux lois de la mécanique quantique et, en particulier, du principe d’incertitude d’Heisenberg : il ne peut pas avoir un ensemble d’états microscopiques en permanence à énergie nulle (…) Le vide est plein de fluctuations ; pendant un instant, d’une durée compatible avec le principe d’Heisenberg, une paire de particule-antiparticule peut y apparaître, qui sera résorbée quasi immédiatement (…) Le vide bouillonne (…) Grâce à ce mécanisme, une fluctuation infinitésimale du vide peut être remplie d’inflatons et donner naissance à un Univers matériel. Le modèle inflationniste prédit que l’Univers est né par hasard, d’une fluctuation quantique du vide ». Selon cet auteur, toutes les mesures effectuées jusqu’ici vont dans le sens du modèle inflationniste. Quant à la fin de l’Univers, elle prendrait la forme d’une mort thermique – le Big Freeze – résultant d’une extension de l’Univers à une vitesse croissante et de la raréfaction du cosmos. « Dans un cosmos ultra raréfié, les distances deviendront trop grandes pour que de nouvelles étoiles puissent se former (…) L’univers entier deviendra une étendu infinie d’étoiles mortes ».

Admettons, à supposer que ce modèle ne soit pas infirmé puis remplacé par un autre. Restent bien des questions sans réponse. Pourquoi le Monde existe-t-il ? Pourquoi y-a-t-il quelque chose plutôt que rien se demandait Leibnitz ? Archétypes de la question vaine. Il n’y a pas rien. Le vide, voir plus haut, ce n’est pas rien : il n’est pas absolu. Le Néant est un concept creux, sans utilité pour penser la complexité du monde. On touche là aux limites de la connaissance. J’en reste à la question de Montaigne : que sais-je ? Au-delà, on aborde un autre territoire, celui de la croyance. (A suivre, la vie…)

JGC