Quand fallait-il abandonner la théorie de l`état stationnaire ?

Revue des Questions Scientiques, ,  () : -
Quand fallait-il abandonner
la théorie de l’état stationnaire?
T L
Christ Church College (University of Oxford) [e-mail]
Quand faut-il arrêter de soutenir une théorie que la communauté scien-
tique a ni par rejeter? Cet article se propose de montrer que le moment
opportun d’une telle décision n’est pas toujours facile à déterminer, et cela
même quand il existe une théorie concurrente qui emporte l’adhésion quasi-
générale. Pour illustrer cette diculté, analysons la rivalité entre la théorie du
big bang et la théorie de l’état stationnaire.
Rappel historique
La théorie du big bang naît dans les années  avec l’hypothèse de
l’atome primitif de Georges Lemaître. Elle stipule que l’univers est en expan-
sion et a une origine dans le temps, ou, du moins, a connu une phase de très
forte densité dans le passé. C’est une théorie qui, à défaut d’emporter immé-
diatement l’adhésion des scientiques, voit son audience régulièrement croître
à partir de ces années . Mais elle ne plaît pas à tout le monde.
. L’histoire de la rivalité entre la théorie du big bang et la théorie de l’état stationnaire
jusqu’aux années  est analysée en détail dans Helge Kragh (), Cosmology and
Controversy. e Historical Developpment of Two eories of the Universe, Princeton Uni-
versity Press.
. Georges Lemaitre (), «e begining of the world from the point of view of quan-
tum theory», Nature, , p..
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Notamment, en , Fred Hoyle et deux collègues, Hermann Bondi et
omas Gold, inventent le modèle de l’état stationnaire, alternative à cette
théorie du big bang. Dans ce nouveau modèle, l’univers est toujours en ex-
pansion, mais il n’a pas d’origine dans le temps. Il présente globalement tou-
jours la même conguration. Pour compenser la dilution de matière due à
l’expansion, de la matière est créée en permanence.
Pendant un peu plus d’une dizaine d’années, les deux théories sont en
rivalité. Laquelle décrit le mieux l’univers? Les astrophysiciens et cosmolo-
gistes n’arrivent pas à trouver des arguments vraiment convaincants pour dis-
qualier une des deux théories.
La situation change au milieu des années . Les partisans du big bang
voient dans certaines observations et certains calculs théoriques des preuves
de la validité de leur théorie. Ils déclarent alors que la théorie de l’état station-
naire est réfutée. Mais certains partisans de cette théorie refusent ce verdict.
Bien que la grande majorité de la communauté scientique adopte le modèle
du big bang, ces récalcitrants continuent à peauner le modèle de l’univers
stationnaire, et cela jusqu’à nos jours. Cette obstination va être notre matière
à réexion.
Si on considère qu’il fallait abandonner cette théorie de l’état station-
naire, quand ses promoteurs auraient-ils dû le faire? On pourrait être tenté de
répondre, quand il est devenu clair qu’elle était incapable d’expliquer ce que
les promoteurs du big bang considèrent être les trois piliers de leur théorie:
l’expansion, la nucléosynthèse et le rayonnement dius. C’est donc le rapport
de la théorie de l’état stationnaire à ces trois piliers du big bang qu’il nous faut
étudier.
. Fred Hoyle (), «A new model for the expanding universe», Monthly Notices of the
Royal Astronomical Society, , pp.-; Hermann Bondi et omas Gold (),
«e steady-state theory of the expanding universe», Monthly Notices of the Royal Astro-
nomical Society, , pp.-.
. Une présentation détaillée de la théorie de l’état stationnaire telle qu’elle est conçue par
ses promoteurs au début du e siècle se trouve dans Fred Hoyle, George Burbidge et
Jayant Narlikar (), A Dierent Approach to Cosmology, Cambridge University Press.
Pour une analyse de la réception de cette nouvelle version de la théorie de l’état station-
naire par les partisans du big bang, voir omas Lepeltier (), «Nouveau dialogue
sur les deux grands systèmes du monde », Revue des questions scientiques,  (),
pp.-.
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 -     ’ 
L’expansion
Concernant l’expansion de l’univers, l’analyse est vite faite: la théorie de
l’état stationnaire est intrinsèquement une théorie d’un univers en expansion.
Elle n’a jamais été en conit sur ce point avec la théorie du big bang. Il est
donc étonnant que les promoteurs de la théorie du big bang fassent de l’ex-
pansion de l’univers un des piliers de leur théorie, puisqu’une telle expansion
pourrait également être considérée comme un pilier de la théorie de l’état
stationnaire. Cela traduit-il une certaine confusion de la part des partisans du
big bang sur ce qui fait la force de leur théorie? Laissons cette question en
suspens.
La nucléosynthèse
Avec la nucléosynthèse, la situation est plus complexe. Cette branche de
la physique consiste à expliquer la formation des éléments chimiques dans
l’univers. D’où vient le carbone, l’oxygène, le fer, etc.? La théorie de l’état
stationnaire et la théorie du big bang ne fournissent pas les mêmes explica-
tions. C’est à partir des qualités et défauts de leurs explications respectives que
les cosmologistes ont voulu évaluer la pertinence de l’une par rapport à l’autre.
Pour simplier, l’histoire de cette nucléosynthèse pourrait être divisée en
cinq phases. La première commence dans les années . George Gamow,
Ralph Alpher et Robert Herman, tous les trois partisans du big bang, essayent
de montrer que tous les éléments chimiques ont été formés aux tout premiers
instants de l’univers, dans la «fournaise» primordiale. L’entreprise tourne
court: d’après leurs calculs, la nucléosynthèse primordiale s’arrête à… l’hé-
lium (deuxième élément de la classication périodique).
La deuxième phase voit la mise sur pied de la nucléosynthèse stellaire. En
, Hoyle, l’un des pères de la théorie de l’état stationnaire, montre avec
trois collègues que la plupart (environ ) des éléments chimiques peuvent
. La collaboration entre Gamow et Alpher commence en . En , Herman les re-
joint. Ils publieront plusieurs articles sur ce thème de la nucléosynthèse. Le dernier pa-
pier signicatif issu de cette collaboration est publié par Alpher et Herman (avec James
Follin) en : «Physical conditions in the initial stages of the expanding universe»,
Physical review, , pp.-.
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être formés dans les étoiles. Ce succès de la nucléosynthèse stellaire renforce
la conance que Hoyle et ses collègues peuvent avoir dans leur théorie de
l’état stationnaire. Il y a toutefois un problème. Hoyle n’arrive pas à rendre
compte de l’abondance des éléments légers, en particulier de l’hélium. Cette
situation ne va pas évoluer pendant plusieurs années.
La troisième phase tourne encore autour des travaux de Hoyle. En ,
ce dernier montre que l’hélium peut avoir été formé soit aux tout premiers
instants de l’univers, dans le cadre de la théorie du big bang, soit au cœur
d’objets super-massifs. Le problème est que ces objets super-massifs n’ont pas
été identiés. Les partisans de la théorie du big bang en protent pour crier
victoire (Hoyle aurait marqué un but contre son camp!). Hoyle aggrave en-
core son cas en  en montrant que le big bang peut expliquer les abon-
dances des autres éléments légers, le deutérium et le lithium.
Est-ce que ces calculs réfutent la théorie de l’état stationnaire? Non,
puisque rien ne dit que la formation de ces éléments chimiques est impossible
dans le cadre de la théorie de l’état stationnaire. Mais ils donnent un avantage
psychologique aux partisans de la théorie du big bang: c’est dans le cadre de
leur théorie que, pour la première fois, la synthèse de tous les éléments
chimiques a trouvé une explication.
Du côté des partisans de la théorie de l’état stationnaire, la situation est
ambiguë: ils reconnaissent que les partisans du big bang s’en sortent bien,
mais à leurs yeux leur avantage provient d’un certain bricolage théorique
puisque, pour rendre compte de l’abondance des éléments chimiques, les par-
tisans du big bang doivent recourir à deux fourneaux (les premiers instants de
l’univers et le cœur des étoiles). Quant à eux, grâce à l’article de Hoyle de
, les partisans de l’état stationnaire ont été à deux doigts de montrer que
toute la nucléosynthèse était stellaire. Ils sont donc tentés de poursuivre ce
programme de recherche. Reconnaissons qu’il est dicile, à ce niveau, de
considérer que c’est une attitude déraisonnable. Toute la question est de savoir
s’ils vont pouvoir rendre compte de la formation des éléments chimiques et, si
. Margaret Burbidge, Georey Burbidge, Fred Hoyle et William Fowler (), «Synthe-
sis of the elements in stars», Reviews of Modern Physcis, , pp.-.
. Fred Hoyle et Roger Tayler (), «e mystery of the cosmic helium abundance»,
Nature, , pp.-.
. Robert Wagoner, William Fowler et Fred Hoyle (), «On the synthesis of elements
at very high temperatures», Astrophysical Journal, , pp.-.
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 -     ’ 
oui, comment? C’est là que Hoyle va trouver une solution. Nous entrons dans
la quatrième phase.
Pour reprendre la terminologie de Imre Lakatos, on pourrait dire que le
«noyau dur» de la théorie de l’état stationnaire est que l’univers n’a pas d’ori-
gine dans le temps et qu’il n’est jamais passé par une phase super-dense. Les
modalités de création de la matière relèvent quant à elles des «hypothèses
auxiliaires». Au début, Hoyle avait considéré que la création était homogène
à travers l’espace et régulière au cours du temps. Mais, dès les années ,
pour aner sa théorie, il avait commencé à imaginer des poches de création
et des variations cycliques de la densité de l’univers. Ce changement de pers-
pective lui a fait entrevoir une façon de résoudre le problème de la nucléosyn-
thèse, sur laquelle il va travailler plusieurs années.
Pour faire simple, rappelons que Hoyle avait montré que l’existence d’ob-
jets super-massifs était nécessaire pour rendre compte de la formation des
éléments légers dans le cadre de la théorie de l’état stationnaire. Mais, à
l’époque de ce résultat, Hoyle ne savait pas où trouver ces objets super-mas-
sifs. On pourrait donc dire que son programme de recherche était dégénéré,
puisqu’il fallait partir d’une hypothèse ad hoc – l’existence d’objets super-mas-
sifs – pour le sauver. En revanche, dans le nouveau modèle de l’état station-
naire, la matière n’est plus créée de manière homogène, mais apparaît dans les
noyaux actifs des galaxies. Or la densité et la température de ces régions sont
susamment élevées pour qu’il soit possible de rendre compte de la formation
des éléments légers. La rivalité avec la théorie du big bang peut donc reprendre.
Hoyle souligne même que son hypothèse d’une création de matière dans les
noyaux actifs des galaxies présente l’avantage, comparée à l’hypothèse d’une
fournaise primordiale pour toujours inobservable, de pouvoir être plus facile-
ment testée. En changeant une hypothèse auxiliaire, Hoyle a ainsi réussi à
transformer son programme de recherche qui tendait à être dégénéré en un
programme de recherche progressif. Pourquoi donc l’abandonner?
Pendant ce temps, la théorie du big bang va également entrer dans une
nouvelle phase. C’est notre cinquième phase. À partir de la n des années
, et ceci grâce à Hoyle, les partisans du big bang pouvaient se targuer de
rendre compte de l’abondance observée des éléments légers en postulant
l’existence d’une fournaise primordiale. Ces partisans vont toutefois être
. Imre Lakatos () [], Histoire et méthodologie des sciences, Puf.
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