Bienvenue Arts Sciences Technologies Tutoriels Vrac  
  Astronomie Mathématique Physique Textes  
 
 

Groupe  :   Invité

les Sarto's > Bienvenue > Sciences > Chimie > Les astronomes vous ouvrent leur bibliothèque
    Les astronomes vous ouvrent leur bibliothèque  
    David Fossé - Ciel & Espace, no 510 - 2012-11-01      
    Quoi de commun entre Aristote et Raymond Queneau ? Cyrano de Bergerac et Einstein ? Buffon et Edgar Allan Poe ? Ils ont tous écrit sur l'Univers !  
    Dans l'anthologie Variations sur un même ciel, parue le 31 octobre, vingt-cinq astronomes nous présentent quelques pépites issues de leur bibliothèque : Aristote, Queneau, Cyrano, mais aussi Borges, Gamow, Stevenson et bien d'autres. Extrait.  
    Il en a fallu, des univers, pour arriver au nôtre ! Récits mythologiques ou savantes réflexions, intuitions fulgurantes ou travaux herculéens, rêveries : par le passé, tout a été bon pour penser le cosmos. Cependant, les cosmologistes n'ont pas toujours reconnu leur dette... Comme l'écrit joliment Hubert Reeves dans la préface du livre Variations sur un même ciel, il fallait "redonner une voix à ceux qui ont participe à l’élaboration de la cosmologie contemporaine et dont les noms sont souvent occultés par les versions officielles de la littérature scientifique".  
    Car en effet, au-delà des grands découvreurs, ceux qui ont fait progresser la cosmologie scientifique à grands pas, "nombreux sont ceux qui ont su poser les bonnes questions, et sans lesquelles les progrès ne seraient peut-être jamais arrivés". Anaximandre ? Il est l'auteur de la première cosmologie scientifique, explique le physicien théoricien Carlo Rovelli. Cyrano de Bergerac ? "Il annonce la pluralité infinie des systèmes solaires dans l'Univers homogène, infini, éternel et en continuelle métamorphose", assure le cosmologiste Edgard Gunzig. Il faut donc les relire, tout comme il ne faut jamais hésiter à revenir aux sources plus directement scientifiques, en particulier celles de la génération des fondateurs. Dans l'extrait de cet ouvrage que nous avons choisi, l'astrophysicien Jean-Pierre Luminet commente un texte du physicien russe Alexandre Friedmann daté de 1923. L'Univers comme espace et temps. Ce texte formidable, à découvrir aussi dans Variations sur un même ciel, expose l'ambition de la cosmologie relativiste alors naissante.  
   

Alexandre Friedmann (1923)

 
    Quand on parle de la structure de l’Univers, il faut se souvenir que notre espace matériel, celui où les astres bougent et évoluent, n’a pas d’existence indépendante du temps, […] il s’ensuit que lorsqu’on parle des propriétés géométriques de l’Univers, il faut d’abord s’attacher aux propriétés géométriques de l’espace-temps.  
   

La création de l’Univers, entre mathématiques et métaphysique

. Par Jean-Pierre Luminet
 
    Coupés de la littérature scientifique mondiale pendant les années de guerre 1914-1918 et la révolution russe, les savants soviétiques ne prennent connaissance de la théorie de la relativité générale qu'avec plusieurs années de retard. En 1919, la confirmation expérimentale de la valeur de la déflexion des rayons lumineux dans le champ gravitationnel solaire, prédite par la théorie d'Einstein, a un grand retentissement. En 1920, dès sa nomination à l'université de Saint-Pétersbourg comme professeur de physique et de mathématiques, Alexandre Friedmann (1888-1925) étudie avec diligence la relativité générale. La théorie le séduit par la largeur de ses vues, par sa base théorique claire et simple, son appareil mathématique élégant. Il entreprend d'en chercher des solutions exactes, mesurant vite qu'avec cette nouvelle interprétation de la gravitation, dans laquelle la nature de l'espace et du temps est liée à la distribution et au mouvement des masses gravitantes, la structure de l'Univers devient pour la première fois l'objet d'une analyse scientifique exacte. Il y parvient dès 1922, avec la publication dans la revue allemande Zeitschrift für Physik de l'article fondateur de la cosmologie non statique intitulé "Sur la courbure de l'espace". Friedmann y fournit le premier modèle d'Univers en expansion, à courbure et densité positives, constante cosmologique non nulle et pression nulle. Il franchit ainsi le pas qu'Einstein n'avait pas été prêt à faire : si l'on abandonne l'hypothèse d'un Univers statique, le problème cosmologique relativiste comporte une infinité de solutions dans lesquelles la métrique varie en fonction du temps, Friedmann discute le cas d'un Univers homogène et isotrope, c'est-à-dire avec une densité de matière constante dans l'espace, avec une courbure spatiale positive (le cas négatif fera l'objet d'un article publié en 1924). Il démontre que, si le rayon de courbure est indépendant du temps, les seules solutions sont les univers statiques d'Einstein et de Sitter. S'il dépend du temps, il y a une infinité de solutions non statiques, en expansion monotone ou en oscillation périodique selon la valeur choisie pour la constante cosmologique. Cette dernière, introduite en 1917 par Einstein pour assurer l'existence de solutions statiques, n'est plus nécessaire; comme Friedmann l'écrit, c'est "une constante superflue du problème". Elle peut néanmoins être conservée par souci de généralité, et ses diverses valeurs possibles engendrent toute une variété de modèles.  
   

Friedmann pose la question de savoir si l'Univers connaît une seule "arche" ou s'il est en oscillation perpétuelle

 
    Dans le cas de l'Univers périodique, Friedmann pose la question de savoir si l'Univers connaît une seule "arche", débutant dans une singularité (appelée plus tard big bang) et se terminant dans une autre singularité (le "big crunch"), ou bien s'il est en oscillation perpétuelle, avec des cycles d'expansion-contraction se poursuivant éternellement. La seconde hypothèse sera étudiée notamment par Eddington et Lemaître sous le joli nom d'"univers-phénix". Friedmann s'attache enfin à rattacher ses modèles aux observations astronomiques et à quantifier ses prédictions relatives à l'âge de l'Univers. En tenant compte de certaines données observationnelles de l'époque relatives à la densité moyenne d'étoiles et à la taille de l'Univers observable, Friedmann peut estimer la masse de l'Univers. Il conclut son article par une remarquable prédiction, selon laquelle la durée de vie d'un Univers fermé serait de l'ordre de 10 milliards d'années. Cette valeur était beaucoup plus grande que l'âge des plus vieux objets de l'Univers tel qu'il était estimé à l'époque. Les chiffres avancés aujourd'hui pour l'âge de l'Univers précisent remarquablement la prédiction de Friedmann.  
   

Univers courbes

 
   
 
Espace plat   Dans cette géométrie, la somme des angles d'un triangle vaut 180°. C'est le cas, semble-t-il, pour l'Univers à grande échelle.  
Espace à courbure positive   Dans un espace sphérique, la somme des côtés d'un triangle est supérieure à 180°.  
Espace à courbure négative   La somme des côtés d'un triangle est inférieure à 180°, nous sommes dans un espace hyperbolique.  
   

 

 
    En 1924 paraît le deuxième article cosmologique fondamental d'Alexandre Friedmann, "Sur la possibilité d'un Univers à courbure négative constante", toujours dans Zeitschrift für Physik. Il considère cette fois les modèles à courbure spatiale négative (dits hyperboliques), démontre l'existence de solutions non statiques avec densité de matière positive, toutes caractérisées par une expansion monotone, et développe la première discussion d'envergure sur la topologie cosmique. Parallèlement à ses recherches de pointe, Friedmann mène à bien un ouvrage de semi-vulgarisation. L'achèvement du texte suivant de peu celui de l'article technique "Sur la courbure de l'espace", Friedmann peut incorporer dans la dernière partie les résultats cosmologiques majeurs qu'il vient d'obtenir.  
    L’ouvrage est rédigé non pas à l'intention du grand public, mais à celle des philosophes. Telle est du moins l'ambition de Friedmann, puisque son texte était initialement destiné â la revue de philosophie Mysl (La Pensée), il pense en effet que "la hauteur de vue et la hardiesse des idées caractérisant les concepts généraux de la relativité sur l'espace et le temps doivent sans doute quelque peu marquer, sinon influencer, le développement des idées chez les philosophes modernes". Force est de reconnaître que son projet de "vulgarisation à l'usage des philosophes" n'est pas une réussite. Le style littéraire de Friedmann souffre d'un grand nombre de répétitions, de lourdeurs et de raideurs de langage; quant au contenu et au niveau de technicité, l'auteur est quelque peu naïf de croire que les philosophes pourront pénétrer les arcanes de la relativité en le lisant [...]  
   

C'est dans l'histoire de la cosmologie la première formulation vulgarisée du concept d'Univers en