Les 42 plus grandes questions sur la vie, l’univers et tout le reste

En hommage au « Guide du voyageur galactique », deux physiciens ont dressé la liste des plus grands mystères de la science. Motherboard vous fait un petit résumé.

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25 mai 2018, 6:30am

Image : Shutterstock

Dans Le Guide du voyageur galactique, la balade irrévérencieuse de l'écrivain Douglas Adams à travers l’univers, un super-ordinateur appelé Pensées Profondes découvre la réponse à « La grande question de la vie, l’univers et le reste » après avoir turbiné pendant sept millions d’années. Il s’avère que la réponse à la question est « 42 » mais ça n'a aucune importance, car Adams ne révèle jamais quelle est cette « grande question » initiale.

Dans un article publié récemment sur arXiv, les physiciens Roland Allen et Suzy Lidstrom, venus respectivement des universités Texas A&M et Uppsala, se sont attaqués au sujet en égrainant ce qu’ils croient être les 42 questions ultimes de la vie, l’univers et le reste.

En ce qui concerne la réponse mystérieuse de Pensées Profondes, Allen et Lidstrom écrivent qu’ils « comprennent qu’il y a 42 questions fondamentales auxquelles répondre sur la route de l’Éveil. » L’article fait plus de 50 pages, mais c’est une formidable introduction aux plus grandes questions scientifiques — du moins selon ces deux physiciens.

Même si la liste est subjective, l’article vaut la peine d’être lu en entier. Mais pour vous faire gagner du temps, j’ai résumé les 42 questions de Allen et Lidstrom dans les grandes lignes aussi brièvement que possible.

1. Pourquoi la physique classique prédit-elle une constante cosmologique trop importante ?

La constante cosmologique, théorisée par Einstein, décrit la densité d’énergie de l’univers. Le problème, c'est que les observations astronomiques indiquent que la constante cosmologique est bien plus petite que ce qu'affirment les calculs.

2. Qu’est-ce que l’énergie noire ?

En 1998, les cosmologistes ont été stupéfaits de découvrir que l’expansion de l’univers accélérait. Cette observation incroyable a été attribuée à l’énergie noire, une force mystérieuse qui semble constituer les deux tiers de l’univers, mais qui doit toujours être expliquée de manière convaincante.

3. Comment réconcilier la relativité générale et la mécanique quantique ?

Einstein s’est rendu compte que la gravité, comme tout dans la nature, devrait pouvoir être décrite en termes de mécanique quantique. Malheureusement, les espoirs de réconciliation entre mécanique quantique et relativité générale (la théorie d'Einstein selon laquelle l'attraction gravitationelle est provoquée par une déformation de l'espace-temps) tombent à plat en cas de très forte gravité — à proximité des trous noirs, par exemple.

4. Quelle est l’origine de l'entropie et la température des trous noirs ?

Malgré les travaux révolutionnaires de Hawking sur le rayonnement des trous noirs, Allen et Lidstrom se demandent pourquoi, pour ces monstres de cosmiques, « l’entropie devrait être proportionnelle à l'étendue plutôt qu’au volume, comme c’est le cas pour d’autres systèmes physiques. »

5. L'information est-elle définitivement perdue dans un trou noir ?

Les informations semblent être codées à la surface de l'horizon des évènements du trou noir et « recrachés » sous forme de radiation. Malgré tout, tous les trous noirs d’une masse particulière irradient exactement de la même façon, indépendamment des informations sur l’horizon des évènements. Cela suggère que les trous noirs détruisent les informations, ce qui viole la thermodynamique.

6. L’univers est-il passé par une phase d’inflation ?

On pense que l’univers s’est expansé de façon exponentielle dès la première seconde de son existence. Les deux grandes questions sont : quelle est l’origine de l’inflation et y-a-t-il une preuve directe de cette inflation ?

7. Pourquoi la matière existe-t-elle encore ?

Selon le modèle standard de la physique des particules, la matière et l’anti-matière auraient dû disparaître complètement de l’univers en ne laissant que des photons derrière elles. Mais à la place, il y a une grande quantité de matière et une pénurie d’anti-matière. Pourquoi ?

8. Qu’est-ce que la matière noire ?

Les observations des galaxies suggèrent qu’environ un quart de l’univers est constitué de matière noire. Le truc, c'est que les physiciens n’ont pas détecté de particule qui puisse expliquer lça. Est-ce un axion, un WIMP ou toute autre chose encore ?

9. Pourquoi les particules de matière ordinaire ont-elles des doubles de charge électrique supérieure ?

Dans le modèle standard, on compte quatre particules de matière élémentaires principales — le quark up, le quark down, l’électron et le neutrino. Pourtant, il existe des secondes et troisièmes « générations » (ou copies) de chacune de ces particules comme les quarks charm, les quark strange et les muons. Mais pourquoi donc ?

10. Quelle est l’origine des masses de particules et quels types de masses ont les neutrinos ?

D’où proviennent les masses des particules élémentaires sus-citées ? On pense que les masses sont liées à la puissance de leur interaction avec leur champ associé (par exemple, le champ de Higgs), mais certaines anomalies rendent cette explication impossible.

Al-Pd-Re, un quasicrystal créé en laboratoire. Image : via

11. La supersymétrie existe-t-elle et pourquoi les énergies des particules observées sont-elles si faibles comparées l’échelle d’énergie (Planck) la plus fondamentale ?

Le modèle standard ne peut pas expliquer pourquoi l'interaction faible est bien plus puissante (10.000.000.000.000.000.000. 000.000 plus puissante, en fait) que la gravité.

12. Qu'est-ce que la théorie de la grande unification ?

Les 3 forces non-gravitationnelles — forte, faible et électromagnétique — se combinent pour former une seule force dans une grande théorie d’unification. La façon dont cette association se produit est toujours un mystère.

13. La relativité d'Einstein et la théorie quantique des champs sont-elles toujours valides ?

Les symétries sont des propriétés d’un système qui restent identiques quand ce système subit une transformation. La charge, la parité et le temps forment une symétrie, la symétrie CPT, qui n’a jamais été violée — même si chacun des éléments qui la composent l'a été. Est-ce que la violation de la symétrie CPT est possible ?

14. Notre univers est-il stable ?

Certains aspects du boson de Higgs suggèrent que notre univers n'est pas vraiment stable, ou peut-être dans une phase de transition vers un meilleur état de stabilité dont le résultat serait un univers aux propriétés fondamentalement différentes. La question est : notre univers est-il stable ou pas encore ?

15. Est-ce que les quarks sont toujours contenus dans les particules qu’ils composent ?

En général, on suppose que les quarks sont confinés dans le volume de leur proton et nécessitent des quantités d’énergie relativement importantes pour s'extraire de cet espace. Un nombre croissant de preuves indiquent que les quarks sont toujours confinés, mais ça n’a pas été rigoureusement prouvé.

16. Quels sont les diagrammes de phase complets pour les systèmes soumis à des forces non-triviales comme l'interaction forte ?

Franchement, je n’en sais rien, donc voici une capture d’écran de l’article.

17. Reste-t-il des particules à découvrir ?

Les accélérateurs de particules comme le LHC ont permis la découverte de nouvelles particules. Y'en aura-t-il d’autres ? C’est une question très sérieuse pour les physiciens qui travaillent dans des endroits comme le CERN.

18. Quels objets astrophysiques doivent encore être découverts ?

Il y a peut-être de nouveaux types d’étoiles à découvrir, comme les immenses étoiles de population III formées au début de l'univers et constituées uniquement d'hydrogène et d'hélium, ou des « étoiles noires » qui se nourrissent de l’annihilation de la matière noire plutôt que de la fusion.

19. Quelles nouvelles formes de supraconductivité et de superfluidité sont encore à découvrir ?

Au cours des dernières décennies, les physiciens ont créé un certain nombre de superfluides (un fluide sans viscosité) et de supraconducteurs (des matériaux sans résistance électrique) en exposant diverses matières à des températures extrêmes. Quelles autres matériaux pourraient démontrer ces propriétés à l’avenir ?

20. Quelles phases topologiques restent à découvrir ?

Les isolants topologiques sont des matériaux isolants à l’intérieur mais conducteurs à l’extérieur. Où les trouveront nous dans les années à venir ?

21. Quelles propriétés supplémentaires trouverons-nous dans les matériaux à fortes corrélations électroniques ?

Les isolants topologiques mentionnés plus haut ont été démontrés dans des systèmes à électron unique ou quasi-particule. Quels autres types de matières pourraient profiter des quasi-particules ?

22. Quelles phases et états de la matière restent à découvrir ?

Des chercheurs ont trouvé une quantité importante de nouvelles phases de la matière ces dernières années, notamment les quasi-cristaux et les cristaux de temps. En reste-t-il à découvrir ?

23. Quel est l’avenir de l’informatique quantique, de l’information quantique et des autres applications de l'intrication ?

La course au développement d’un ordinateur quantique à grande échelle qui pourrait surpasser les performances d’un ordinateur classique pour bon nombre de tâches, comme se débarrasser de la plupart des formes de cryptographie, bat son plein. Mais ces applications quitteront-elles un jour les laboratoires ou sont-elles trop fragiles pour devenir autre chose qu’une simple curiosité ?

24. Quel futur pour l’optique et la photonique quantique ?

Un internet quantique permettrait de protéger les données contre les écoutes clandestines. Seulement, pour en arriver là, nous devrons trouver le moyens d'exercer un contrôle de longue distance sur les photons. Le record actuel de transmission de photons intriqués a été établi l’an dernier par un satellite chinois. Quelles autres innovations nous attendent ?

25. Existe-t-il d’autres dimensions ?

Si d’autres dimensions existent, comment leur « espace interne » est-il structuré ?

26. Y a-t-il un multivers ?

Y a-t-il un nombre infini d’univers, chacun doté de ses propres lois ? Se pourrait-il que notre univers soit parfaitement paramétré pour l’émergence de vie intelligente, une idée connue sous le nom de principe anthropique ? Et encore plus important, comment pouvons-nous prouver ces concepts grâce à la science ?

27. La géométrie de l’espace-temps a-t-elle des caractéristiques exotiques ?

Quelle est la « forme » de l’univers ? Si l’univers est structuré de telle façon que les singularités nues, les trous de ver et/ou les boucles temporelles fermées sont possibles, alors un retour dans le temps, parmi d’autres, serait imaginable.

28. Quelle est l’origine de l’univers et quelle est sa destinée ?

Pourquoi existe-t-il une origine de l’univers et a-t-il vraiment débuté par un bang ? Avec un peu de chance, se pencher sur le passé nous aidera à comprendre le futur, et si nous nous dirigeons vers un « big rip » qui annihilera toute la matière de notre univers.

29. Quelle est l’origine de l’espace-temps, pourquoi est-il quadri-dimensionnel et pourquoi le temps est-il différent de l’espace ?

Je crois que tout est dans le titre mais je vous conseille de couler une douille avant d’essayer de vous attaquer à ces questions.

30. Qu’est-ce qui explique la relativité et la gravité d'Einstein ?

Les théories d’unification comme la supersymétrie et la théorie des cordes ont tendance à présumer de l’existence de la relativité plutôt que de l’expliquer. Mais la théorie de la gravité d’Einstein peut-elle être tirée de l’énergie du vide ou des champs de la théorie des cordes ? Si la réponse est non, d’où vient la gravité ?

31. Pourquoi toutes les forces ont-elles la forme des théories de jauge ?

Toutes les forces du modèle standard — faible, forte, électromagnétique et gravité — sont décrites par la théorie de jauge, qui détaille comment les particules élémentaires s'allient à des champs spécifiques. Mais pourquoi ce genre de forces est-il seul à exister et pourquoi la matière s'allie-t-elle si faiblement avec ces champs ?

32. Pourquoi la nature est-elle décrite par des champs quantiques ?

La mécanique quantique peut-elle être expliquée à l'aide d'un principe universel encore plus profond ? Cette théorie expliquerait pourquoi l’univers est fait de champs quantiques et présente des éléments déroutants, notamment la réduction du paquet d'onde lors d'une observation.

33. La physique est-elle cohérente d’un point de vue mathématique ?

Les bonnes théories sont mathématiquement cohérentes avec les expériences. Pourtant, des théories quantiques de champ relativement simples ne se sont pas révélées cohérentes mathématiquement.

34. Quelle est le lien entre le formalisme de la physique et la réalité de l’expérience humaine ?

Si les mathématiques et la physique qu'elles décrivent sont réellement des créations de l’homme, nous devons expliquer la relation entre la conscience humaine et la réalité, mais aussi répondre à des questions comme : pourquoi y a-t-il quelque chose plutôt que rien ?

35. Quelles sont les limites des techniques théorique, informatique, expérimentale et d’observation ?

Comment de meilleurs ordinateurs vont-ils nous aider à améliorer nos modèles et donner un sens à nos expériences les plus complexes, comme le Large Hadron Collider ? Alors que nos télescopes deviennent de plus en plus sophistiqués, que vont-ils révéler sur la nature de l’univers ?

36. Quelles sont les limites ultimes de la chimie, de la physique appliquée et de la technologie ?

Nous vivons à une époque d'avancées scientifiques et technologiques sans précédent. Existe-t-il une limite à ces avancées ? Est-ce qu’au contraire, le taux de découverte va continuer sur cette voie prometteuse ? La question se pose particulièrement pour le domaine de l’intelligence artificielle, qui cherche à créer une machine vraiment super-intelligente.

37. Qu’est-ce que la vie ?

La question a été notoirement posée par Erwin Schrödinger en 1944. 70 ans plus tard, les biologistes cherchent encore une réponse à cette question qui n'a de simple que l'apparence.

38. Comment a commencé la vie sur Terre ?

Est-ce que les molécules organiques ont surgi d’une soupe primordiale sur la Terre primitive ou ont-elles été transportées par des astéroïdes depuis le cosmos (une théorie connue sous le nom de panspermie) ? En outre, comment nos ancêtres unicellulaires ont-ils pu évoluer en formes de vie complexes ?

39. À quel point la vie est-elle répandue dans l’Univers ?

Des robots parcourent Mars à la recherche de matière organique et les astronomes du SETI scrutent les ondes cosmiques, mais aucune preuve de vie, intelligente ou non, n’a encore été trouvée dans notre système solaire. Dès lors, ce n'est même pas la peine de parler de la galaxie ou du cosmos. Serions-nous vraiment seuls dans l’univers ?

40. Comment la vie résout-elle des problèmes d’une complexité apparemment impossible ?

Des organismes biologiques à première vue « stupides » sont capables d’effectuer collectivement des tâches incroyablement complexes comme le repliement des protéines ? Et que dire de la capacité des cellules à se multiplier et à former des structures complexes comme les yeux, le cœur, le cerveau et d’autres organes. Comment est-ce possible ?

41. Pouvons-nous comprendre et soigner les maladies affectant la vie ?

La variété colossale de la vie biologique, même à l’intérieur d'une seule espèce, a rendu très difficile la guérison des maladies les plus graves. Sera-t-il un jour possible d’éradiquer la maladie et la mort complètement?

42. Qu’est-ce que la conscience ?

Cette question préoccupe les philosophes depuis des siècles. La technologie pour tenter d’apporter une réponse scientifique à cette question n'a été développée que récemment. La conscience émerge-t-elle grâce aux interactions complexes de milliards de cellules ? Comment la décrire ? Peut-elle être reproduite ?