Comment comprendre tous les discours sur une « crise de la cosmologie »

Cet article est le septième et dernier d’une série explorant les contradictions du modèle standard de la cosmologie.

Les êtres humains ont besoin d’histoires d’origine, c’est pourquoi chaque culture humaine a un « mythe » d’origine, un récit sur la façon dont l’Univers est né et comment il est devenu tel qu’il apparaît aujourd’hui. Mais nous, les modernes, avons développé la science, qui constitue un moyen particulièrement puissant d’entrer en dialogue avec le monde.

Notre histoire d’origine scientifique s’appelle le modèle standard de la cosmologie. C’est à juste titre considéré comme un triomphe de la raison et de l’imagination humaine. Cependant, récemment, à la lumière de nouvelles données et d’autres considérations théoriques, l’idée d’une « crise de la cosmologie » a retenu l’attention. Cet essai, le dernier d’une série que j’ai rédigé ici chez Big Think, se veut une sorte de résumé de notre situation actuelle sur cette question.

Y a-t-il une crise en cosmologie ?

Cette tentative de synthèse fait également suite à une étude très récente New York Times article d’opinion Marcelo Gleiser et moi avons écrit sur le sujet. Il a reçu beaucoup d’attention (généralement favorable, je suis heureux de le dire), mais le fait est qu’il a été motivé et informé par les sujets que j’ai explorés dans cette série. Aujourd’hui, je souhaite approfondir certaines des questions que nous avons soulevées là-bas et les relier à ce que nous avons dévoilé ici dans notre exploration de l’état du modèle standard.

Commençons par la vue à 10 000 pieds (ou peut-être à 10 000 parsecs). J’ai commencé cette série sur la base d’un sujet vraiment intéressant papier par l’astrophysicien Fulvio Melia intitulé « Une évaluation franche de la cosmologie standard ». L’évaluation actuelle de Melia est plutôt négative. Comme il le dit : « Le modèle standard a besoin d’une refonte complète pour survivre. »

En fait, j’ai été conduit à ce document via un joli essai par Ethan Siegel qui, bien qu’il ne soit pas d’accord avec le pessimisme de Melia, a examiné favorablement les questions soulevées par Melia, en disant : « Il y a incontestablement des problèmes très réels dans le modèle de concordance de la cosmologie, que vous pensiez qu’il a besoin d’une refonte complète ou non… C’est Il est important de reconnaître que les lacunes dans notre compréhension sont importantes et que certaines d’entre elles pourraient offrir des indices qui nous mèneront à une meilleure compréhension de notre univers dans son ensemble.

Dans son article, Melia a énuméré un ensemble de problèmes à la fois observationnels et théoriques associés au modèle standard qui, selon lui, posent des défis majeurs. Ceux-ci incluent : la désormais célèbre et très difficile tension de Hubble ; la question de la formation trop précoce des trous noirs et des galaxies ; la question des conditions initiales et de l’entropie ; et des problèmes d’inflation et de fond cosmique de micro-ondes. Dans les articles précédents de cette série, j’ai essayé d’explorer certaines de ces questions. À la suite de leur intégralité, Melia reconnaît que le modèle standard présente des succès spectaculaires en termes d’adéquation entre données et théorie. Mais, affirme-t-il, une partie de ce succès vient du fait que le modèle comporte tellement de boutons (paramètres libres) qu’affiner leurs valeurs via des observations ne nous apprend rien de fondamental.

Alors, la question : « Y a-t-il ou non une véritable crise de la cosmologie ? semble être une question d’engagement envers le modèle standard dans sa forme actuelle. Il me semble qu’il existe des « problèmes incontestablement très réels ». Mais c’est ce qui se passe ensuite, c’est là que les choses deviennent intéressantes. C’est ce que Marcelo et moi avons exploré dans notre article d’opinion et ce que je souhaite aborder un peu plus en profondeur ici pour conclure notre série.

La cosmologie ne ressemble pas aux autres sciences

Marcelo et moi voulions explorer une question qui pourrait être formulée : que se passe-t-il si nous devons remanier la cosmologie ? Ce qu’il faut noter ici, c’est que la cosmologie n’est pas une science comme les autres. Aux XVe et XVIe siècles, les fondateurs de la méthode scientifique tenaient à montrer comment on pouvait prendre des parties du monde, les isoler, puis les sonder dans le cadre d’expériences contrôlées. Francis Bacon a qualifié cela de phénomène « contrariant ». Fondamentalement, vous isolez la chose que vous souhaitez étudier, puis vous la piquez. La méthode fonctionne très bien pour les études en laboratoire dans tous les domaines, de la physique des particules à la chimie en passant par la biologie. Même lorsque vous ne pouvez pas isoler ou même contrôler votre sujet d’étude, comme en géologie ou en astronomie, vous pouvez en examiner de nombreux exemples différents pour en tirer des conclusions statistiques. Si vous êtes intéressé par le fonctionnement des volcans, regardez de nombreux volcans différents. Si vous êtes intéressé par le fonctionnement des étoiles, regardez de nombreuses étoiles différentes.

La cosmologie, cependant, est un jeu de balle totalement différent. Nous définissons l’Univers comme étant tout ce qui existe. Donc, à moins que vous souhaitiez imaginer un ensemble d’univers inobservables qui vous permettent de prétendre pouvoir faire des statistiques sur eux, vous êtes coincé avec celui dans lequel nous vivons et qui inclut tout l’espace, le temps, la matière et l’énergie. Le « tout » dans cette dernière phrase est ce qui rend si conséquentes les conséquences du redémarrage d’un modèle cosmologique. Comme Marcelo l’a exploré dans son livre L’univers dansant, il n’existe qu’un ensemble limité d’options logiques pour traiter de l’origine et de l’évolution de toute chose. Chacun d’eux a ses propres problèmes philosophiques, comme ce que signifie créer un univers à partir de « rien ». Qu’entendons-nous par rien ? Est-ce qu’il ne peut vraiment rien y avoir ? C’est pourquoi tout changement majeur dans la cosmologie pourrait nous entraîner tête baissée dans de profondes questions philosophiques, du genre de celles qui flottent dans les têtes humaines depuis des millénaires.

Mais il existe une autre possibilité, que Marcelo et moi avons pris soin d’aborder à plusieurs reprises et que nous pouvons également dévoiler ici. Les problèmes liés au modèle standard peuvent être résolus simplement en apportant des ajustements au modèle. C’est en quelque sorte ce qui s’est produit au cours des 40 dernières années. Le modèle classique du Big Bang a montré un certain nombre de paradoxes associés au lien entre l’Univers primitif et l’Univers moderne, ont ajouté les cosmologistes. inflation. La matière lumineuse que nous pouvions voir se déplaçait d’une manière que nous ne pouvions pas comprendre, nous avons donc ajouté de la matière noire. L’Univers accélérait de manière inattendue, nous avons donc ajouté de l’énergie sombre. Il s’agissait d’ajustements importants par rapport au modèle classique du Big Bang, construit sur l’expansion de l’Univers et son évolution à partir d’une soupe chaude et dense de particules (deux choses qui sont absolument pas de doute). Peut-être que certains des problèmes auxquels nous sommes confrontés aujourd’hui pourraient être résolus par de petits ajustements. Si cela se produit, alors ce que certains appellent la « crise de la cosmologie » s’avérera bien moins dramatique.

En science, une crise est passionnante

Alors, ça va être quoi ? Pour l’instant, je pense qu’il est trop tôt pour le dire. Le modèle standard a connu suffisamment de succès pour qu’il soit logique que la plupart des astrophysiciens s’y tiennent. Mais si la tension de Hubble ne peut pas être résolue, si aucune particule de matière noire n’apparaît après une décennie ou plus de recherche, et si les problèmes d’inflation soulevés par Melia persistent, alors les choses pourraient changer. Au fil du temps, les astrophysiciens commenceront à explorer plus sérieusement des alternatives.

Et cela nous amène à notre dernier point. L’idée même de « crise » donne une fausse impression de ce qui se passe lorsqu’un paradigme (dans ce cas, le modèle standard de la cosmologie) commence à montrer des problèmes. Ce n’est pas un désastre rempli de terreur et d’anxiété. Au lieu de cela, c’est vraiment excitant! Quoi de plus cool que de se tenir à une frontière où la nature essaie de vous montrer quelque chose de nouveau et de dramatique ?