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Pour une physique pluraliste

Le 18  juillet 2007 par Jean Zin

Rien ne va plus en physique ! L’échec de la théorie des cordes, Lee Smolin

Quitte à contredire son titre, il faut dire que voilà encore une fois un livre fantastique sur la physique actuelle, accessible à un assez large public et qui témoigne de l’ébullition théorique d’une physique certes de plus en plus spéculative mais aussi de plus en plus extraordinaire. On y découvre de nouvelles orientations de la recherche assez excitantes et pleines de surprises. C’est une leçon d’anti-dogmatisme, d’ouverture d’esprit et de créativité débridée (Feyerabend). On est loin d’une fin de la physique ! Le mystère du monde reste intact, mieux, notre ignorance semble s’accroître à mesure que nous avançons, et ceci alors même que l’année 2008 devrait être décisive avec les nouvelles expériences du LHC, quand il sera enfin opérationnel (vers le mois de mars si l’on en croit les dernières nouvelles).

En fait il y a plusieurs livres en un :

  1. une histoire limpide de la physique depuis Galilée et de ses révolutions théoriques tendues vers l’unification des phénomènes.
  2. une évaluation critique de la théorie des cordes et de son hégémonie malgré les déceptions qu’elle a provoquées et son incompatibilité avec la relativité générale
  3. une revue des théories alternatives : MOND (Modified Newtonian Dynamics), DSR-II (relativité doublement restreinte), gravitation quantique à boucles, géométries non-commutatives, triangulations dynamiques...
  4. une critique de l’état de la science et de ses pesanteurs sociologiques ou de ses effets de mode.

C’est peut-être ce dernier point qui est le véritable objet du livre, le reste ne servant que d’illustration aux dysfonctionnements de la communauté scientifique, à notre rationalité limitée et aux difficultés des changements de paradigme. C’est pourtant ce dont on ne rendra pas vraiment compte, sinon pour noter qu’on retrouve ici un problème générationnel bien plus général et qu’on connaît trop bien :

L’histoire mouvementée de la physique

Impossible de reprendre l’historique qu’il fait de la physique et qui est d’une grande clarté, donnant une grande importance à l’unification du mouvement et du repos, geste reproduit par Galilée (relativité du mouvement), par Newton (gravitation et mouvement des planètes), par Maxwell (champs électriques et magnétiques) dont Einstein montrera avec la relativité restreinte que la différence tient au mouvement de l’observateur (p66), unifiant ensuite accélération et gravitation avec la relativité générale. Simplement, l’auteur croit pouvoir en tirer argument contre la théorie des cordes, ce qui est assez contestable car la situation n’est pas la même, ou plutôt, ce n’est pas un argument qu’on peut considérer comme concluant a priori pas plus que sa critique du "principe anthropique" sous prétexte qu’il est trop insatisfaisant ou qu’on ne peut connaître les autres univers (p224).

C’est un peu comme le mythe de la beauté mathématique considéré comme critère de vérité et qu’il dénonce à juste titre sans doute mais la seule chose qui peut faire rejeter ces théories, c’est qu’il en existe de meilleures, ce qu’il tente de prouver et qui est effectivement passionnant ! La grande leçon de la physique, depuis qu’on doit admettre que ce n’est pas le soleil qui tourne autour d’une Terre qui n’est pas plate, c’est notre rationalité limitée, l’inadéquation de nos représentations avec la réalité, notre difficulté à sortir de nos préjugés et habitudes de pensée, notre facilité à être convaincus enfin par des théories qui semblent logiques, belles et cohérentes puis de tenir un peu trop fermement à nos convictions ensuite...

Non seulement il est impossible de prendre parti pour ou contre ces théories mais il est presque impossible de se représenter de quoi il s’agit, on peut juste en faire éprouver le vertige pour la pensée. S’il est certes on ne peut plus sain de remettre en cause nos certitudes, cela ne veut pas dire pour autant croire n’importe quoi mais évaluer sérieusement (mathématiquement et expérimentalement) le champ du possible et l’étendue de notre ignorance. Ce qui est certain, c’est qu’il ne faut jamais renoncer à lire sous prétexte qu’on n’y comprend rien, que ce soit en philosophie ou en sciences, on finit toujours par en tirer quelque chose et il ne faut pas s’imaginer que les scientifiques comprennent beaucoup mieux que nous, ils appliquent des formules (Newton disait hypotheses non fingo, "je ne fais aucune hypothèse", la formule de la gravitation n’étant qu’une description). Croire comprendre ou savoir la vérité, n’est qu’un aveuglement du dogmatisme des demi-savants.

La grande unification

Une des grandes qualités de son histoire de la physique, c’est de donner les raisons des échecs de tentatives d’unification qui semblaient pourtant très séduisantes, en commençant par la théorie de Kaluza-Klein, lointain ancêtre de la théorie des cordes qui unifiait déjà gravitation et champ électromagnétique par l’introduction dans la relativité générale d’une dimension supplémentaire très petite et invisible, la charge de l’électron étant liée au diamètre de cette dimension supplémentaire :

L’échec de la théorie tient au fait, que, contrairement à la relativité générale qu’elle modifiait, "le diamètre du cercle devait être gelé, de sorte qu’il ne varie ni dans l’espace, ni dans le temps" (p80).

Une autre tentative, à laquelle il semblait difficile de ne pas croire, s’appelait SU(5) et se voulait une extension du modèle standard de l’Electro-Dynamique Quantique qui avait réussi à unifier les 3 forces de l’électromagnétisme, de l’interaction faible et de l’interaction forte, ce qui se note SU(3), grâce au "principe de jauge", expliquant leurs différences par une "brisure spontanée de symétrie" p91. La symétrie SU(5) qui unifiait quarks et leptons (électrons ou neutrinos) impliquait des mécanismes de transformation de l’un en l’autre et donc une instabilité du proton qui ne s’est pas vérifiée par l’expérience pour l’instant (même si la probabilité en était très faible de l’ordre de 10 puissance 11 ans, on aurait dû l’observer sur la quantité !). Il souligne, en effet, qu’une leçon de l’unification, c’est qu’elle introduit de l’instabilité, instabilité qui doit être vérifiée dans la réalité pour décider de la validité de la théorie.

Les 5 grands problèmes de la physique

C’est donc l’échec de la grande unification attendue qui caractérise notre moment historique, l’échec surtout d’une théorie des cordes qui n’a pas tenu ses promesses. Contrairement à la fin du XIXème siècle qui croyait tout savoir, annonçant la fin de la physique, les énigmes se multiplient. Lee Smolin en dégage 5 grands problèmes non résolus :

  1. Réunir la relativité générale et la théorie quantique
  2. Résoudre les problèmes des fondements de la théorie quantique
  3. Déterminer si des particules et des forces différentes peuvent être unifiées
  4. Expliquer comment sont choisies, dans la nature, les valeurs des constantes
  5. Expliquer la matière noire et l’énergie noire. Ou, si elles n’existent pas, déterminer comment et pourquoi la gravité est modifiée à grande échelle.

On remarquera la prudence : il n’est pas sûr qu’on puisse tout unifier, notamment la gravitation et les champs électromagnétiques malgré leurs similitudes... Comme toujours, la façon dont on pose la question contient déjà la réponse ! C’est en tout cas à la résolution de ces questions qu’on doit juger les théories d’unification.

La séduction de la théorie des cordes

On ne reviendra pas en détail sur la théorie des cordes dont j’ai essayé une évaluation en 2002 qui reste assez valable. J’argumentais déjà que ce n’était qu’une généralisation qui ne pouvait être entièrement fausse ni entièrement vraie comme le croyais Sheldon Glashow. Bien sûr l’histoire qu’en fait Lee Smolin est bien plus complète et intéressante mais impossible à résumer ici et de nombreux sites abordent la question. Je citerais juste ce qui a pu convaincre les physiciens de sa validité, malgré l’absence de tout résultat expérimental depuis 20 ans, en rappelant seulement qu’en théorie des cordes le photon est une corde fermée qui peut se casser pour devenir une corde ouverte ayant à ses extrémités un électron et un positron (ce qui explique qu’un photon peut donner naissance à une particule et son anti-particule de même que leur annihilation les transforme en photon). Le succès de la théorie des cordes vient surtout du fait qu’elle inclut le graviton (corde fermée de spin 2) ce qui a pu faire croire qu’elle "prédisait" la gravité (ce qui est un peu gros tout de même), mais c’est la logique générale de la théorie qui est séduisante semblant unifier toute la physique sur des principes simples.

  1. La théorie des cordes nous a fourni une unification automatique et "gratuite" de toutes les particules élémentaires : elle a aussi unifié les forces les unes avec les autres. Celles-ci proviennent toutes des vibrations d’un seul objet fondamental, qui est la corde.
  2. La théorie des cordes nous a fourni automatiquement les champs de jauge, qui sont responsables de l’électromagnétisme et des forces nucléaires. Celles-ci émergent naturellement des vibrations des cordes ouvertes.
  3. La théorie des cordes nous a fourni automatiquement les gravitons, qui proviennent des vibrations des cordes fermées et toute théorie quantique des cordes doit inclure les cordes fermées. En conséquence, nous avons obtenu gratuitement une unification automatique de la gravité avec les forces.
  4. La théorie des cordes supersymétrique a unifié les bosons et les fermions qui ne sont, tous les deux, que des oscillations des cordes, unifiant ainsi toutes les forces avec toutes les particules. 162-163

Tout cela semble formidable, sauf qu’au bout du compte, si une théorie des cordes est bien basée sur des principes simples, non seulement il n’y a pas qu’une seule théorie des cordes mais il y en a un nombre astronomique multipliant à l’infini les constantes possibles (ce qui constitue le paysage cosmique selon Leonard Susskind). Ce qu’on a gagné d’un côté, on l’a perdu de l’autre au point qu’on ne peut même plus savoir ce que peut être la théorie des cordes sinon une classe de théories ("une théorie de tout ce qu’on veut" !). Du coup l’absence de confirmation expérimentale possible, ajoutée au fait que la théorie des cordes ne respecte pas la relativité générale en s’inscrivant dans un espace-temps fixe (dépendant du fond), il semble plus que justifié qu’on développe des théories alternatives.

Théories non-standards

C’est la partie la plus surprenante du livre, et la plus spéculative, dont on ne pourra donner que de rapides indications, juste ce qu’il faut pour attiser la curiosité du lecteur !

-  MOND

Cela commence par l’analyse des fréquences micro-ondes du fond cosmologique (ci-dessus) où l’on constate un pic, pouvant correspondre à une résonance reliée à la taille de l’univers quand il devint pour la première fois transparent, ainsi qu’une direction privilégiée qui semble réfuter l’hypothèse de l’inflation et d’un univers beaucoup plus étendu. Ce n’est peut-être qu’une coïncidence mais si on divise cette supposée taille de l’univers de 10 milliards d’années lumières par la vitesse de la lumière cela correspond à peu près à l’âge actuel de l’univers. Mieux, la vitesse de la lumière au carré divisée par cette taille donne la valeur de l’accélération (très faible) produite soi-disant par la constante cosmologique ! Cette observation déjà faite en 1983 par Mordehai Milgrom permettrait surtout d’expliquer une anomalie de la gravitation tout en se débarrassant à la fois de l’énergie noire et de la matière noire ! En tout cas, ce que les astronomes appellent "la loi de Milgrom" implique une modification de la loi newtonnienne de la gravitation pour les très petites accélérations de l’ordre de la constante cosmologique, ce qu’on appelle MOND (Modified Newtonian Dynamics) et qui pourrait être lié à "l’anomalie Pioneer", voire à une possible très petite variation de la constante de structure fine (ou constante alpha), ou bien à la masse des neutrinos...

-  DSR-II

Un autre fait troublant semble pouvoir remettre en cause la relativité restreinte, c’est ce qu’on appelle la "coupure GZK". A cause du fond diffus cosmologique occupant tout l’espace, Greisen, Zatsepine et Kouzmine ont prédit qu’aucun proton ne pouvait arriver sur la Terre avec plus d’énergie que celle nécessaire pour produire des pions lorsqu’ils entrent en interaction avec les photons du fond micro-onde. C’est cette énergie, plus de 10 millions de fois plus grande que l’énergie obtenue dans les accélérateurs actuels, que l’on appelle la "coupure GZK". Or les expériences AGASA ayant détecté des énergies supérieures, cela pourrait indiquer une modification de la relativité restreinte aux énergies extrêmes. Plus précisément, il se pourrait que les photons d’énergies diverses se déplacent à des vitesses légèrement différentes !

En tout cas, ces expériences utilisant le cosmos comme laboratoire permettent de tester des phénomènes à l’échelle de Planck, ce qu’on croyait inaccessibles avant longtemps ! (et ce que Luis Gonzalez-Mestres physicien parisien avait entrevu depuis le milieu des années 1990).

A partir de là une autre incompatibilité de la relativité restreinte avec la théorie quantique a été découverte : la relativité restreinte implique en effet la "contraction des longueurs" pour un observateur en mouvement. Or cette contraction, qui est certes uniquement apparente, ne pourrait descendre en dessous de la longueur de Planck. Ceci a des implications sur la vitesse de la lumière elle-même.

On pourrait faire le même raisonnement avec la longueur de Planck qui serait vue identique par tous les observateurs, sans contraction, car rien n’existe qui pourrait être plus court que la longueur de Planck, quel que soit l’observateur. C’est ce qu’on appelle la Relativité Doublement Restreinte (DSR en anglais). Cette idée, combinée à celle de João Magueijo d’une vitesse de la lumière plus grande au début de l’univers (VSL qui rend caduque le concept d’inflation) donnera la DSR-II. Les circonstances de la naissance de cette théorie sont assez extravagantes, naissant d’un dialogue dans un bar, avec une sorte de conscience modifiée et un demi sommeil, entre João somnolent à cause du décalage horaire et Lee revenant épuisé de New-York après les événements du 11 septembre !

C’est, bien sûr, difficile à croire, mais la cohérence mathématique serait démontrée au moins pour un univers en 2 dimensions, et sans doute en 3 ! Cela change complètement notre compréhension de la relativité restreinte où la vitesse de la lumière avait été remplacée par le concept de vitesse limite ou de "constante de structure de l’espace-temps". Il semblerait pourtant que cela soit compatible avec la théorie des cordes (qui peut tout accepter !) mais surtout avec la gravité quantique à boucles qui en sort confortée.

L’émergence de l’espace et du temps

Après cette mise en bouche, on passe au niveau supérieur avec les théories alternatives à la théorie des cordes dont la caractéristique principale est l’indispensable "indépendance par rapport au fond". On ne peut faire beaucoup plus que citer le nom de ces théories : gravitation quantique à boucles (voir Carlo Rovelli), géométries non-commutatives (Alain Connes), triangulations dynamiques causales (Renate Loll et Jan Ambjorn) ou même "l’espace des twisteurs" (Roger Penrose). Il faudrait citer aussi les théories de l’émergence de Robert B. Laughlin. Ce qui caractérise ces théories par rapport à la théorie des cordes, c’est de ne pas faire d’hypothèses sur l’espace sous-jacent qui doit émerger des interactions, y compris le nombre de dimensions qui pourrait même évoluer dans le temps (p126) ! Il n’y aurait que des impulsions, des charges et des interactions. Ces théories conformes à la relativité générale illustrent qu’il ne suffit pas de déduire l’existence d’un "graviton" mais qu’il faut rendre compte de la dynamique de l’espace, le graviton lui-même étant soumis à la gravitation puisqu’il porte de l’énergie (p 129) ! (Ce qui est tout de même difficile à comprendre, c’est que les distances sont bien constitutives des interactions puisque la gravité par exemple diminue avec la distance. On aurait ainsi une déformation de l’espace plutôt qu’une simple émergence ?).

Tout cela ne remet donc pas en cause complètement la théorie des cordes, mais c’est tout de même très différent de Susskind. En effet, la constante cosmologique disparaîtrait ainsi car elle ne serait qu’une conséquence des théories dépendantes du fond (p325). On aurait éliminé aussi inflation, supersymétrie, matière noire, énergie noire et surtout le "paysage" d’infinies possibilités... A noter que l’émergence de l’espace rend plausible la création de nouveaux univers à l’intérieur d’un trou noir (par rebond spatio-temporel", p329).

Cependant, Lee Smolin insiste sur le fait qu’il ne prétend aucunement être arrivé à la théorie ultime, seulement à quelques progrès vers l’unification des forces et de la géométrie de l’espace-temps. C’est là qu’il introduit une réflexion sur le temps. En effet, au-delà de la nécessité d’une théorie "indépendante du fond" conformément à la relativité générale, ce serait notre conception du temps qu’il faudrait changer : renoncer à en faire une dimension spatiale qui le fige comme si tout était donné d’avance (comme dans Une brève histoire du temps de Hawking), en quoi il rejoint la critique de Bergson. Le temps ne serait rien d’autre que le principe de causalité, et l’espace un phénomène émergent des interactions entre particules ou corps matériels. Pour ma part, cela fait quelque temps que je plaide pour la distinction entre le temps comme succession (causalité) et sa mesure (spatialisée, dépendante de la vitesse relative). C’est un peu comme le travail ou la valeur qu’il ne faut pas confondre avec sa mesure en temps de travail !

Une dernière indication qu’il donne me semble intéressante, "sur la relation entre les fluctuations quantiques et thermiques" (p457). Voilà, en tout cas, de quoi nourrir nos réflexions et nous inciter à aller un peu plus loin...

Une rationalité limitée

La fin du livre est consacrée à la sociologie de la science, ses pesanteurs, son conformisme qui étouffe la recherche et la créativité des chercheurs. Lee Smolin compare ainsi l’attitude des théoriciens des cordes à ce qu’on décrit comme "la pensée de groupe" et qui touche tous les groupes, au point que c’en est désespérant...

Il voudrait réformer la communauté scientifique et son mode de fonctionnement, en quoi on peut lui donner raison mais ce genre de réforme n’a qu’une efficacité ponctuelle, on retombe toujours dans le dogmatisme. Pas moyen d’y échapper. Il est absurde de rêver à un monde où les innovateurs bousculant les idées reçues seraient accueillis à bras ouverts par ceux dont il remet en cause le pouvoir acquis. Mieux, leur résistance est essentielle pour tester la validité des nouvelles théories. Chaque révolution installe un nouveau pouvoir et l’oppression du moment se réclame souvent d’une libération passée. Sauf coup de chance improbable, il n’y a de bons artistes que les artistes maudits car il faut du temps pour reconnaître les véritables créateurs dès lors qu’ils ne font pas que répéter les succès passés ou d’anciennes transgressions qui n’ont plus de sens. De plus, il est impossible de tout lire, tout évaluer, tout savoir, il y a toujours des découvertes essentielles qui sont ignorées un certain temps avant de s’imposer, c’est inévitable.

La conséquence, c’est qu’on ne peut vouloir une réussite mondaine et une réussite intellectuelle, il faut savoir ce qu’on fait passer avant. Il est bien sûr regrettable que les talents ne soient pas reconnus à leur juste mesure et que la reconnaissance soit trop souvent posthume mais il n’y a pas grand chose à y faire et, même si c’est dur à vivre, cela n’a pas tellement d’importance. C’est dans l’épreuve que se jugent les hommes et l’indépendance d’esprit. Il faut du moins être conscient du fait que la bêtise est toujours triomphante, partout, c’est notre condition humaine qui n’empêche pas le progrès malgré tout de nos connaissances accumulées mais fait de nous "des nains sur des épaules de géants"...