Les grandes inconnues de la science : 20 questions non résolues

De quoi est fait l’univers ?

LONDRES – Les astronomes sont confrontés à une énigme embarrassante : ils ne savent pas de quoi est fait 95 % de l’univers. Les atomes, qui forment tout ce que nous voyons autour de nous, ne représentent qu’un maigre 5 %. Au cours des 80 dernières années, il est devenu évident que l’important reste est constitué de deux entités obscures : la matière noire et l’énergie noire. La première, découverte pour la première fois en 1933, agit comme une colle invisible qui lie les galaxies et les amas de galaxies. Dévoilée en 1998, la seconde pousse l’expansion de l’univers à des vitesses toujours plus grandes. Les astronomes se rapprochent de la véritable identité de ces intrus invisibles.

Comment la vie a-t-elle commencé ?

Il y a quatre milliards d’années, quelque chose a commencé à remuer dans la soupe primordiale. Quelques produits chimiques simples se sont réunis et ont donné naissance à la biologie – les premières molécules capables de se répliquer sont apparues. Nous, les humains, sommes liés par l’évolution à ces premières molécules biologiques. Mais comment les produits chimiques de base présents sur la Terre primitive se sont-ils arrangés spontanément pour former quelque chose qui ressemble à la vie ? Comment avons-nous obtenu l’ADN ? À quoi ressemblaient les premières cellules ? Plus d’un demi-siècle après que le chimiste Stanley Miller a proposé sa théorie de la « soupe primordiale », nous ne sommes toujours pas d’accord sur ce qui s’est passé. Certains disent que la vie a commencé dans des piscines chaudes près des volcans, d’autres qu’elle a été relancée par des météorites frappant la mer.

Sommes-nous seuls dans l’univers ?

Peut-être pas. Les astronomes ont parcouru l’univers à la recherche d’endroits où des mondes d’eau auraient pu donner naissance à la vie, depuis Europe et Mars dans notre système solaire jusqu’à des planètes situées à de nombreuses années-lumière. Les radiotélescopes ont écouté les cieux et, en 1977, un signal portant les marques potentielles d’un message extraterrestre a été entendu. Les astronomes sont désormais en mesure de scruter l’atmosphère de mondes étrangers à la recherche d’oxygène et d’eau. Les prochaines décennies seront une période passionnante pour être un chasseur d’extraterrestres avec jusqu’à 60 milliards de planètes potentiellement habitables dans notre seule Voie lactée.

Qu’est-ce qui fait de nous des humains ?

Le simple fait de regarder votre ADN ne vous le dira pas – le génome humain est identique à 99 % à celui d’un chimpanzé et, d’ailleurs, à 50 % à celui d’une banane. En revanche, notre cerveau est plus gros que celui de la plupart des animaux. Il n’est pas le plus gros, mais il contient trois fois plus de neurones que celui d’un gorille (86 milliards pour être exact). Un grand nombre de choses qui nous semblaient autrefois distinctives – le langage, l’utilisation d’outils, le fait de se reconnaître dans un miroir – sont observées chez d’autres animaux. C’est peut-être notre culture – et son effet ultérieur sur nos gènes (et vice versa) – qui fait la différence. Les scientifiques pensent que la cuisine et notre maîtrise du feu ont pu nous aider à acquérir de gros cerveaux. Mais il est possible que notre capacité de coopération et d’échange de compétences soit ce qui fait vraiment de cette planète une planète d’humains et non de singes.

Qu’est-ce que la conscience ?

Nous n’en sommes toujours pas vraiment sûrs. Nous savons cependant que c’est lié à différentes régions du cerveau mises en réseau plutôt qu’à une seule partie du cerveau. L’idée est que si nous comprenons quelles parties du cerveau sont impliquées et comment les circuits neuronaux fonctionnent, nous comprendrons comment la conscience émerge, ce à quoi l’intelligence artificielle et les tentatives de construction d’un cerveau neurone par neurone pourraient contribuer. La question plus difficile, plus philosophique, est de savoir pourquoi quelque chose devrait être conscient en premier lieu.

Une bonne suggestion est qu’en intégrant et en traitant beaucoup d’informations, ainsi qu’en se concentrant et en bloquant plutôt qu’en réagissant aux entrées sensorielles qui nous bombardent, nous pouvons distinguer entre ce qui est réel et ce qui ne l’est pas et imaginer de multiples scénarios futurs qui nous aident à nous adapter et à survivre.

Pourquoi rêvons-nous ?

Nous passons environ un tiers de notre vie à dormir. Compte tenu du temps que nous passons à le faire, on pourrait penser que nous savons tout à ce sujet. Mais les scientifiques sont toujours à la recherche d’une explication complète des raisons pour lesquelles nous dormons et rêvons. Les adeptes du point de vue de Sigmund Freud pensaient que les rêves étaient l’expression de désirs inassouvis – souvent sexuels – tandis que d’autres se demandent si les rêves sont autre chose que les déclenchements aléatoires d’un cerveau endormi.

Des études sur les animaux et les progrès de l’imagerie cérébrale nous ont conduits à une compréhension plus complexe qui suggère que le rêve pourrait jouer un rôle dans la mémoire, l’apprentissage et les émotions. On a montré que les rats, par exemple, rejouent leurs expériences éveillées dans leurs rêves, ce qui les aide apparemment à résoudre des tâches complexes telles que la navigation dans des labyrinthes.

Pourquoi y a-t-il des trucs ?

Vous ne devriez vraiment pas être ici. La « substance » dont vous êtes fait est la matière, qui a une contrepartie appelée antimatière ne différant que par sa charge électrique. Lorsqu’elles se rencontrent, les deux disparaissent dans un flash d’énergie.

Nos meilleures théories suggèrent que le big bang a créé des quantités égales des deux, ce qui signifie que toute la matière aurait dû depuis rencontrer son homologue antimatière, les faisant échouer tous les deux et laissant l’univers inondé uniquement d’énergie. Il est clair que la nature a un penchant subtil pour la matière, sinon elle n’existerait pas. Des chercheurs passent au crible les données du Grand collisionneur de hadrons pour tenter de comprendre pourquoi, la supersymétrie et les neutrinos étant les deux principaux prétendants.

Est-ce qu’il existe d’autres univers ?

Notre univers est un endroit très improbable. Modifiez certains de ses paramètres, même légèrement, et la vie telle que nous la connaissons devient impossible. Pour tenter de démêler ce problème de « réglage fin », les physiciens se tournent de plus en plus vers la notion d’autres univers. S’il en existe un nombre infini dans un « multivers », alors toutes les combinaisons de paramètres devraient être jouées quelque part et, bien sûr, on se retrouve dans l’univers où l’on est capable d’exister. Cela peut sembler fou, mais les preuves de la cosmologie et de la physique quantique vont dans ce sens.

Où mettons-nous tout le carbone ?

Depuis quelques centaines d’années, nous remplissons l’atmosphère de dioxyde de carbone – le libérant en brûlant des combustibles fossiles qui, autrefois, enfermaient le carbone sous la surface de la Terre. Nous devons maintenant remettre tout ce carbone dans l’atmosphère, sous peine de subir les conséquences du réchauffement climatique. Mais comment s’y prendre ? Une idée consiste à l’enfouir dans les anciens gisements de pétrole et de gaz. Une autre idée est de le cacher au fond de la mer. Mais nous ne savons pas combien de temps il y restera, ni quels sont les risques. En attendant, nous devons protéger les réserves naturelles et durables de carbone, comme les forêts et les tourbières, et commencer à produire de l’énergie d’une manière qui n’en éructe pas encore plus.

Comment obtenir plus d’énergie du soleil ?

La diminution des réserves de combustibles fossiles signifie que nous avons besoin d’une nouvelle façon d’alimenter notre planète. Notre étoile la plus proche offre plus d’une solution possible. Nous exploitons déjà l’énergie du soleil pour produire de l’énergie solaire. Une autre idée consiste à utiliser l’énergie de la lumière solaire pour séparer l’eau en ses composants : l’oxygène et l’hydrogène, ce qui pourrait constituer un carburant propre pour les voitures du futur. Les scientifiques travaillent également sur une solution énergétique qui consiste à recréer les processus qui se déroulent à l’intérieur des étoiles elles-mêmes – ils construisent une machine à fusion nucléaire. L’espoir est que ces solutions puissent répondre à nos besoins énergétiques.

Qu’est-ce qui est si bizarre avec les nombres premiers ?

Le fait que vous puissiez faire des achats en toute sécurité sur Internet est dû aux nombres premiers – ces chiffres qui ne peuvent être divisés que par eux-mêmes et un. Le cryptage à clé publique – le cœur du commerce sur internet – utilise des nombres premiers pour façonner des clés capables de mettre vos informations sensibles à l’abri des regards indiscrets. Et pourtant, malgré leur importance fondamentale dans notre vie quotidienne, les nombres premiers restent une énigme. Un modèle apparent, l’hypothèse de Riemann, a intrigué certains des plus brillants esprits des mathématiques pendant des siècles. Cependant, jusqu’à présent, personne n’a été en mesure d’apprivoiser leur bizarrerie. Y parvenir pourrait bien briser l’internet.

Comment vaincre les bactéries ?

Les antibiotiques sont l’un des miracles de la médecine moderne. La découverte de Sir Alexander Fleming, récompensée par le prix Nobel, a donné naissance à des médicaments qui ont combattu certaines des maladies les plus mortelles et rendu possibles la chirurgie, les transplantations et la chimiothérapie. Pourtant, cet héritage est en danger : en Europe, environ 25 000 personnes meurent chaque année de bactéries multirésistantes. Notre pipeline de médicaments est en panne depuis des décennies et nous avons aggravé le problème par la prescription excessive et l’utilisation abusive d’antibiotiques – on estime que 80 % des antibiotiques utilisés aux États-Unis servent à stimuler la croissance des animaux d’élevage. Heureusement, l’avènement du séquençage de l’ADN nous aide à découvrir des antibiotiques dont nous ignorions la capacité de production des bactéries. Parallèlement à des méthodes innovantes, bien que grossières, telles que la transplantation de « bonnes » bactéries à partir de matières fécales, et la recherche de nouvelles bactéries au fond des océans, nous pouvons encore rester à la pointe dans cette course aux armements avec des organismes de 3 milliards d’années notre aîné.

Les ordinateurs peuvent-ils continuer à être plus rapides ?

Nos tablettes et smartphones sont des mini-ordinateurs qui contiennent plus de puissance de calcul que ce que les astronautes ont emmené sur la lune en 1969. Mais si nous voulons continuer à augmenter la quantité de puissance de calcul que nous transportons dans nos poches, comment allons-nous faire ? Le nombre de composants que l’on peut intégrer à une puce électronique est limité. La limite a-t-elle été atteinte ou existe-t-il un autre moyen de fabriquer un ordinateur ? Les scientifiques envisagent de nouveaux matériaux, comme le carbone atomiquement fin – le graphène – ainsi que de nouveaux systèmes, comme l’informatique quantique.

Saurons-nous un jour guérir le cancer ?

La réponse courte est non. Le cancer n’est pas une maladie unique, mais un groupe de plusieurs centaines de maladies. Il existe depuis les dinosaures et, étant causé par des gènes détraqués, le risque est ancré en chacun de nous. Plus nous vivons longtemps, plus il y a de chances que quelque chose se passe mal, de toutes sortes de façons. Car le cancer est une chose vivante – qui évolue sans cesse pour survivre.

Pourtant, bien qu’incroyablement compliqué, grâce à la génétique, nous en apprenons de plus en plus sur ses causes, sur son mode de propagation et nous nous améliorons dans son traitement et sa prévention. Et sachez ceci : jusqu’à la moitié des cancers – 3,7 millions par an – peuvent être évités ; arrêtez de fumer, buvez et mangez modérément, restez actifs et évitez l’exposition prolongée au soleil de midi.

Quand pourrai-je avoir un majordome robot ?

Les robots peuvent déjà servir des boissons et porter des valises. La robotique moderne peut nous offrir un « personnel » de robots spécialisés individuellement : ils préparent vos commandes Amazon pour la livraison, traient vos vaches, trient vos e-mails et vous transportent entre les terminaux d’aéroport. Mais un robot véritablement « intelligent » nécessite que nous nous attaquions à l’intelligence artificielle. La vraie question est de savoir si vous laisseriez un majordome robotisé seul dans la maison avec votre grand-mère. Et avec le Japon qui vise à avoir des aides robotiques s’occupant de ses personnes âgées d’ici 2025, nous y réfléchissons sérieusement maintenant.

Qu’y a-t-il au fond de l’océan ? « 

Nonante-cinq pour cent de l’océan est inexploré. Qu’y a-t-il au fond ? En 1960, Don Walsh et Jacques Piccard ont parcouru sept miles de profondeur, jusqu’à la partie la plus profonde de l’océan, à la recherche de réponses. Leur voyage a repoussé les limites de l’effort humain mais ne leur a donné qu’un aperçu de la vie au fond de la mer. Il est si difficile d’atteindre le fond de l’océan que, pour la plupart, nous devons recourir à l’envoi de véhicules sans pilote comme éclaireurs.

Les découvertes que nous avons faites jusqu’à présent – des poissons bizarres comme le barré, avec sa tête transparente, à un traitement potentiel de la maladie d’Alzheimer fabriqué par des crustacés – ne représentent qu’une infime partie du monde étrange qui se cache sous les vagues.

Qu’y a-t-il au fond d’un trou noir ?

C’est une question à laquelle nous n’avons pas encore les outils pour répondre. La relativité générale d’Einstein dit que lorsqu’un trou noir est créé par une étoile massive en train de mourir et de s’effondrer, il continue à s’effondrer jusqu’à former un point infiniment petit et infiniment dense appelé singularité.

Mais à de telles échelles, la physique quantique a probablement aussi son mot à dire. Sauf que la relativité générale et la physique quantique n’ont jamais été les plus heureux compagnons de lit – pendant des décennies, ils ont résisté à toutes les tentatives de les unifier. Cependant, une idée récente – appelée théorie M – pourrait un jour expliquer le centre invisible de l’une des créations les plus extrêmes de l’univers.

Pouvons-nous vivre éternellement ?

Nous vivons une époque étonnante : nous commençons à considérer le « vieillissement » non pas comme un fait de la vie, mais comme une maladie qui peut être traitée et peut-être prévenue, ou du moins repoussée pour très longtemps. Nos connaissances sur les causes de notre vieillissement – et sur ce qui permet à certains animaux de vivre plus longtemps que d’autres – progressent rapidement.

Et bien que nous n’ayons pas encore tout compris, les indices que nous recueillons sur les lésions de l’ADN, l’équilibre du vieillissement, le métabolisme et l’aptitude à la reproduction, ainsi que les gènes qui les régulent, complètent un tableau plus large, qui pourrait déboucher sur des traitements médicamenteux.

Mais la vraie question n’est pas de savoir comment nous allons vivre plus longtemps, mais comment nous allons vivre bien plus longtemps. Et puisque de nombreuses maladies, comme le diabète et le cancer, sont des maladies du vieillissement, traiter le vieillissement lui-même pourrait être la clé.

Comment résoudre le problème de la population ?

Le nombre de personnes sur notre planète a doublé pour atteindre plus de 7 milliards depuis les années 1960 et on s’attend à ce que d’ici 2050 nous soyons au moins 9 milliards. Où allons-nous tous vivre et comment allons-nous produire suffisamment de nourriture et de carburant pour notre population en constante augmentation ? Nous pourrions peut-être envoyer tout le monde sur Mars ou commencer à construire des immeubles d’habitation sous terre. Nous pourrions même commencer à nous nourrir avec de la viande cultivée en laboratoire. Cela peut sembler des solutions de science-fiction, mais nous devrions peut-être commencer à les prendre plus au sérieux.

Le voyage dans le temps est-il possible ?

Les voyageurs dans le temps marchent déjà parmi nous. Grâce à la théorie de la relativité restreinte d’Einstein, les astronautes en orbite dans la station spatiale internationale voient le temps s’écouler plus lentement. À cette vitesse, l’effet est minuscule, mais si l’on augmente la vitesse, cela signifie qu’un jour, les humains pourraient voyager des milliers d’années dans le futur. La nature semble moins apprécier que les gens fassent le chemin inverse et retournent dans le passé, mais certains physiciens ont concocté un plan élaboré pour y parvenir en utilisant des trous de ver et des vaisseaux spatiaux. On pourrait même s’en servir pour se remettre un cadeau le jour de Noël, ou répondre à certaines des nombreuses questions qui entourent les grandes inconnues de l’univers.

« Les grandes questions de la science : The Quest to Solve the Great Unknowns », est publié par Andre Deutsch.