De nouvelles découvertes suggèrent que les lois de la nature sont « carrément bizarres », et pas aussi constantes que prévu

Non seulement une constante universelle semble fâcheusement inconstante aux confins du cosmos, mais elle ne se produit que dans une seule direction, ce qui est carrément bizarre.

Ceux qui attendent avec impatience le jour où la Grande théorie unificatrice du tout de la science pourra être portée sur un t-shirt devront peut-être attendre un peu plus longtemps, car les astrophysiciens continuent de trouver des indices selon lesquels l’une des constantes cosmologiques n’est pas si constante après tout.

Dans un article publié dans Science Advances, des scientifiques de l’UNSW de Sydney ont rapporté que quatre nouvelles mesures de la lumière émise à une distance quasi-illuminique de 13 milliards d’années-lumière réaffirment des études antérieures qui avaient trouvé de minuscules variations dans la constante de structure fine.

Selon le professeur John Webb de l’UNSW Science, la constante de structure fine est une mesure de l’électromagnétisme, l’une des quatre forces fondamentales de la nature (les autres sont la gravité, la force nucléaire faible et la force nucléaire forte).

« La constante de structure fine est la quantité que les physiciens utilisent pour mesurer la force électromagnétique », explique le professeur Webb.

« C’est un nombre sans dimension et il implique la vitesse de la lumière, ce qu’on appelle la constante de Planck et la charge de l’électron, et c’est un rapport de ces choses. Et c’est le nombre que les physiciens utilisent pour mesurer la force de la force électromagnétique ».

La force électromagnétique fait que les électrons continuent de siffler autour d’un noyau dans chaque atome de l’univers – sans elle, toute la matière s’envolerait. Jusqu’à récemment, on croyait qu’il s’agissait d’une force immuable dans le temps et l’espace. Mais au cours des deux dernières décennies, le professeur Webb a remarqué des anomalies dans la constante de structure fine, ce qui fait que la force électromagnétique mesurée dans une direction particulière de l’univers semble toujours légèrement différente.

« Nous avons trouvé un indice que ce nombre de la constante de structure fine était différent dans certaines régions de l’univers. Pas seulement en fonction du temps, mais aussi en fonction de la direction de l’univers, ce qui est vraiment assez étrange si c’est exact… mais c’est ce que nous avons trouvé. »

À la recherche d’indices

Toujours sceptique, lorsque le professeur Webb a découvert ces premiers signes de mesures légèrement plus faibles et plus fortes de la force électromagnétique, il a pensé que c’était peut-être une erreur de l’équipement, de ses calculs ou de toute autre erreur qui avait conduit à ces lectures inhabituelles. C’est en observant certains des corps célestes quasi massifs les plus éloignés, émettant une énergie exceptionnellement élevée, aux confins de l’univers, que ces anomalies ont été observées pour la première fois à l’aide des télescopes les plus puissants du monde.

« Les quasars les plus éloignés que nous connaissons sont à environ 12 à 13 milliards d’années-lumière de nous », explique le professeur Webb.

« Donc, si vous pouvez étudier la lumière en détail à partir de quasars lointains, vous étudiez les propriétés de l’univers tel qu’il était lorsqu’il était dans sa petite enfance, âgé d’un milliard d’années seulement. L’univers était alors très, très différent. Aucune galaxie n’existait, les premières étoiles s’étaient formées mais il n’y avait certainement pas la même population d’étoiles que celle que nous voyons aujourd’hui. Et il n’y avait pas de planètes ».

Il dit que dans l’étude actuelle, l’équipe a examiné un tel quasar qui leur a permis de remonter jusqu’à l’époque où l’univers n’avait qu’un milliard d’années, ce qui n’avait jamais été fait auparavant. L’équipe a effectué quatre mesures de la constante fine le long de l’unique ligne de visée de ce quasar. Individuellement, les quatre mesures n’ont pas permis de déterminer de manière concluante s’il y avait ou non des changements perceptibles dans la force électromagnétique. Cependant, lorsqu’elles ont été combinées avec de nombreuses autres mesures prises par d’autres scientifiques et non liées à cette étude, les différences de la constante de structure fine sont devenues évidentes.

Un univers étrange

« Et il semble soutenir l’idée qu’il pourrait y avoir une directionalité dans l’univers, ce qui est très étrange », dit le professeur Webb.

« L’univers n’est donc peut-être pas isotrope dans ses lois physiques, c’est-à-dire qu’il est statistiquement identique dans toutes les directions. Mais en fait, il pourrait y avoir une certaine direction ou une direction préférée dans l’univers où les lois de la physique changent, mais pas dans la direction perpendiculaire. En d’autres termes, l’univers, dans un certain sens, a une structure dipolaire. »

« Dans une direction particulière, nous pouvons regarder en arrière de 12 milliards d’années-lumière et mesurer l’électromagnétisme lorsque l’univers était très jeune. En rassemblant toutes ces données, l’électromagnétisme semble augmenter progressivement au fur et à mesure que l’on regarde plus loin, alors que dans la direction opposée, il diminue progressivement. Dans les autres directions du cosmos, la constante de structure fine reste constante. Ces nouvelles mesures très éloignées ont poussé nos observations plus loin que jamais ».

En d’autres termes, dans ce que l’on croyait être une répartition arbitrairement aléatoire de galaxies, quasars, trous noirs, étoiles, nuages de gaz et planètes – la vie s’épanouissant dans au moins une minuscule niche – l’univers apparaît soudain comme ayant l’équivalent d’un nord et d’un sud. Le professeur Webb est toujours ouvert à l’idée que ces mesures effectuées à différents stades, à l’aide de différentes technologies et à différents endroits sur Terre, sont en fait une énorme coïncidence.

« C’est une chose qui est prise très au sérieux et qui est considérée, à juste titre, avec scepticisme, même par moi, même si j’ai fait les premiers travaux sur ce sujet avec mes étudiants. Mais c’est quelque chose qu’il faut tester car il est possible que nous vivions dans un univers étrange ».

Mais pour compléter l’argument selon lequel ces découvertes sont plus que des coïncidences, une équipe américaine travaillant de manière totalement indépendante et inconnue du professeur Webb a fait des observations sur les rayons X qui semblaient s’aligner sur l’idée que l’univers a une sorte de directionnalité.

« Je ne savais rien de cet article jusqu’à ce qu’il apparaisse dans la littérature », dit-il.

« Et ils ne testent pas les lois de la physique, ils testent les propriétés, les propriétés des rayons X des galaxies et des amas de galaxies et les distances cosmologiques de la Terre. Ils ont également découvert que les propriétés de l’univers dans ce sens ne sont pas isotropes et qu’il y a une direction préférée. Et voilà que leur direction coïncide avec la nôtre ».

La vie, l’univers et tout

Tout en souhaitant que soient testées de manière plus rigoureuse les idées selon lesquelles l’électromagnétisme pourrait fluctuer dans certaines régions de l’univers pour lui donner une forme de directionnalité, le professeur Webb affirme que si ces découvertes continuent à être confirmées, elles pourraient contribuer à expliquer pourquoi notre univers est tel qu’il est et pourquoi il y a de la vie en lui.

« Depuis longtemps, on pense que les lois de la nature semblent parfaitement réglées pour établir les conditions nécessaires à l’épanouissement de la vie. La puissance de la force électromagnétique est l’une de ces quantités. Si elle ne différait que de quelques pourcentages de la valeur que nous mesurons sur Terre, l’évolution chimique de l’univers serait complètement différente et la vie n’aurait peut-être jamais pu s’y développer. Cela soulève une question intéressante : cette situation de “ Boucle d’or ”, où des quantités physiques fondamentales comme la constante de structure fine sont “ juste ce qu’il faut ” pour favoriser notre existence, s’applique-t-elle à l’ensemble de l’univers ? »

S’il existe une direction dans l’univers, affirme le professeur Webb, et si l’électromagnétisme se révèle très légèrement différent dans certaines régions du cosmos, les concepts les plus fondamentaux qui sous-tendent une grande partie de la physique moderne devront être révisés.

« Notre modèle standard de cosmologie est basé sur un univers isotrope, qui est le même, statistiquement, dans toutes les directions », dit-il.

« Ce modèle standard est lui-même fondé sur la théorie de la gravité d’Einstein, qui elle-même suppose explicitement la constance des lois de la nature. Si ces principes fondamentaux s’avèrent n’être que de bonnes approximations, les portes sont ouvertes à de nouvelles idées très excitantes en physique ».

L’équipe du professeur Webb pense que c’est le premier pas vers une étude beaucoup plus vaste explorant de nombreuses directions dans l’univers, en utilisant des données provenant de nouveaux instruments sur les plus grands télescopes du monde. De nouvelles technologies apparaissent aujourd’hui pour fournir des données de meilleure qualité, et de nouvelles méthodes d’analyse par intelligence artificielle permettront d’automatiser les mesures et de les réaliser plus rapidement et avec plus de précision.

yogaesoteric
19 juillet 2020