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Publiscopie


The trouble with physicsThe Trouble with Physics
The Rise of String Theory,
the Fall of a Science and what comes next
par Lee Smolin
Houghton Mifflin Cie
2006

Rien ne va  plus en physiqueTraduit en français par Alexeï Grinbaum sous le titre
Rien ne va plus en physique !
L'échec de la théorie des cordes,


avec une préface d'Alain Connes
18 avril 2007


Présentation et commentaires par Jean-Paul Baquiast (d'après l'original en anglais). Texte relu et complété par Philippe Lequesne 01/08/07

Lee SmolinLee Smolin est un physicien théoricien la vaste culture. C'est aussi, même s'il ne l'affiche pas, un philosophe, un sociologue et un pédagogue de la science remarquable. Il est actuellement chercheur au Perimeter Institute, dans la province canadienne de l'Ontario, qu'il a contribué à fonder afin d'encourager les remises en question et idées nouvelles en science, venant de la part de ceux qu'il appelle des visionnaires (seers) dans son livre.

Ouvrages précédents:
* 1999. The Life of the Cosmos
* 2001. Three Roads to Quantum Gravity (voir notre présentation http://www.automatesintelligents.com/biblionet/2002/oct/smolin.html. Nous renvoyons le lecteur à cet article. Il y constatera que dès 2002 nous avions voulu rendre hommage au travail profondément original de Lee Smolin.

Pour en savoir plus
Page personnelle : http://www.leesmolin.com/
Le site du livre :http://www.thetroublewithphysics.com/
Les spécialistes étudieront sur ce site deux séries de réponses faites par l'auteur à diverses observations et critiques:
* In a recent letter to friends and colleagues I emphase the main themes and conclusions of TTWP.
* Here is a response to a review by Joe Polchinski that several people asked for.
Le Perimeter Institute :http://www.perimeterinstitute.ca/

 


On pourrait croire, si l’on s’en tenait au titre du livre, The Trouble with Physics (TTWP) que Lee Smolin ne se borne pas à constater l’impasse dans laquelle se trouverait selon lui la théorie des cordes, mais qu’il étend ce constat d’échec à la physique fondamentale toute entière. Il est vrai que si, loin d’apparaître comme la théorie ultime en physique, la théorie des cordes se révélait incapable de fournir de preuves, après bientôt quarante ans de recherches, à l’appui des visions profondément contre-intuitives du monde qu’elle propose, l’ensemble de la physique fondamentale en souffrirait. Jusqu’alors en effet, pour les physiciens en général et les cosmologistes à en particulier, c’est l’expérience instrumentale, et non la production de modèles mathématiques aussi élégants soient-ils mais non vérifiables, qui constitue la première source du savoir sur le monde. Il en est de même d’ailleurs pour toutes les sciences.

Mais TTWP (bien que l’auteur s’en défende) n’est pas seulement une critique sévère de la théorie des cordes. C’est aussi un acte de foi dans l’avenir de la physique, à condition que celle-ci sache renouveler en profondeur les questions qu’elle pose à la nature. Lee Smolin consacre plusieurs chapitres importants de son livre à recenser les directions dans lesquelles pourrait se développer une nouvelle physique, à la fois théorique et expérimentale, capable de dépasser les blocages actuels. Pour ce qui nous concerne, comme la présentation de la théorie des cordes a déjà fait l’objet de nombreuses publications, c’est à la discussion des nouvelles voies de recherche présentées par l’auteur que nous voudrions consacrer l’essentiel de cet article.

Avant cependant d’en venir à ce thème, qui est de la plus haute actualité, nous devons indiquer que TTWP comporte plusieurs chapitres de réflexion sur la science, sur les scientifiques et sur les divers intérêts qui la financent. Ce travail est intéressant, mais il nous paraît faire montre d’une certaine naïveté. Disons seulement ici, sans entrer dans la discussion, que Lee Smolin ne va sans doute pas encore assez au fond des critiques nécessaires. Si l’on considère en effet que l’essentiel des crédits de recherche dans le monde intéressent les applications militaires et économiques dites de puissance, on peut craindre que la recherche fondamentale, y compris en physique, soit de moins en moins bien dotée. Or, comme Lee Smolin le montre, pour aboutir à des résultats susceptibles de préciser les nouvelles visions du monde physique qu’il appelle de ses vœux, il faudrait admettre que seuls 10% des projets pourraient éventuellement apporter des changements de paradigme, les 90% restant n’aboutissant pas. Si les universités et plus généralement les Etats acceptaient de tels ratios pour la recherche fondamentale, tout à fait reconnus par les capital-risqueurs en matière industrielle et commerciale, il faudrait multiplier par 10 les crédits de recherche fondamentale. Il faudrait aussi sans doute créer des structures de recherche non finalisée (blue sky research) beaucoup plus nombreuses et mieux dotées que les quelques rares fondations et instituts existant actuellement. Comme rien ne laisse espérer que cela sera fait, on ne pourra donc compter que sur des hasards heureux pour imposer de nouvelles révolutions conceptuelles, notamment avec l’entrée en service des nouvelles générations d’instrument – et aussi de nouvelles générations de chercheurs moins enfermés dans leurs spécificités disciplinaires.

Les cinq grands problèmes non résolus par la physique contemporaine

Lee Smolin commence son ouvrage par le recensement des cinq grands problèmes qui se posent aujourd’hui à la physique théorique (que nous préférerions appeler physique fondamentale, pour la distinguer de la physique appliquée). Ce recensement est de la plus haute importance, non seulement parce que dans la suite du livre, Lee Smolin montrera que la théorie des cordes n’offre à ce jour de perspectives sérieuses que pour la résolution d‘un seul de ces problèmes, mais aussi parce que ce catalogue de nos ignorances doit rester présent à l’esprit lorsque l’on s’interrogera sur les nouvelles solutions que pourraient proposer de nouveaux concepts appuyés sur de nouvelles observations expérimentales. Nous dirions pour notre part, en nous adressant aux lecteurs de notre revue, que garder constamment en esprit la liste de ces problèmes constitue la seule façon d’évaluer l’intérêt des innombrables événements qui constituent l’actualité de la physique contemporaine. Bien évidemment, les questions fondamentales que pose la physique, à la frontière de la métaphysique, sont bien plus nombreuses. Mais cette liste à l’intérêt de mettre l’accent sur les problèmes vraiment « chauds », compte-tenu de l’actualité. Reprenons donc la liste de Smolin, sans entrer dans la définition des termes employés, supposée connue de nos lecteurs.

* Premier problème : unifier la relativité générale et la mécanique quantique dans une théorie générale de la nature qui a déjà été baptisée du terme de gravitation quantique. Celle-ci n’a jamais encore été produite à ce jour. Or la nature est une et devrait donc relever d’une théorie unifiée. Une telle unification devrait en particulier faire disparaître l’apparition de valeurs infinies qui perturbent chacune de ces deux théories dans son domaine, alors que la nature n’a jamais présenté de phénomènes infinis. Il s’agirait alors d’obtenir avec la gravitation quantique une théorie finie (finite theory).

On pourra discuter évidemment de cette exigence d’unification. La nature est-elle vraiment une ? On discutera aussi le postulat « réaliste » posé implicitement par cette question : existe-t-il une nature en soi que l’on pourrait décrire comme l’on décrit une chaise ou un organisme vivant ? Nos concepts scientifiques ne sont-ils pas seulement construits par notre cerveau, en fonction du degré de développement du « super-organisme scientifique » dont nous faisons partie ?

* Second problème : donner des fondements « réalistes » à la physique quantique. Si celle-ci a ouvert des domaines d’applications en grand nombre, elle n’a jamais voulu ni pu décrire les phénomènes en termes déterministes. En particulier, elle ne cherche pas à définir précisément l’entité observée, la mesure, l’observateur. Elle se borne à présenter des probabilités d’occurrence. Une théorie unifiée de la gravitation quantique devrait pouvoir résoudre ce problème.

La encore, on discutera de l’intérêt soit de donner une interprétation « réaliste » à la physique quantique, soit d’inventer une nouvelle physique quantique qui soit déterministe (on retrouve là la question des variables cachées). Mais Lee Smolin reconnaît qu’il se range dans la vaste classe des physiciens réalistes, pour qui l’indétermination de la physique quantique reste une tare. Dans la suite du livre, il montre que les fondements de la relativité comme ceux de la théorie quantique ne paraissent pas aujourd’hui aussi établis que l’on pense généralement. Comment alors construire une théorie de la gravitation quantique sur de telles bases ?

* Troisième problème : décrire par une seule théorie les diverses particules et forces identifiées par la physique. Dans un premier temps, se pose la question de la pertinence du modèle dit standard des particules élémentaires formulé dans les années 1970. Celui-ci, considéré comme un des grands succès de la physique de ces années, décrit les interactions forte, faible et électromagnétique, ainsi que l'ensemble des particules élémentaires qui constituent la matière. Il regroupe six espèces de quarks (composants des protons et neutrons) et six espèces de leptons (incluant l’électron et le neutrino). Les forces d’interactions connues, auxquelles correspondent des bosons, sont l’électromagnétisme, les forces nucléaires faibles et fortes et la gravité. Développé entre les années 1970 et 1973, c'est une théorie quantique des champs compatible avec les principes de la mécanique quantique et de la relativité, en bon accord avec les données expérimentales. Mais il ne s’agit pas d’une théorie complète des interactions fondamentales principalement parce qu'il ne décrit pas la particule supposée correspondant à la force de gravitation, le graviton, qui n’a pas encore été identifiée. De plus et surtout, il présente une longue liste de constantes ajustables ou paramètres libres, qui décrivent entre autres les masses des particules élémentaires ainsi que leurs différents couplages. Ces paramètres doivent être déterminés expérimentalement car le modèle standard n’est pas une théorie fondamentale permettant de comprendre pourquoi les valeurs observées sont ce qu’elles sont.

* Quatrième problème : expliquer comment et pourquoi les variables ajustables du modèle standard sont déterminées par la nature. Il serait nécessaire d’obtenir une théorie unifiée des particules et de leurs forces d’interaction, comportant toutes les particules actuellement observées ou susceptibles de l’être prochainement avec l’arrivée de nouveaux instruments. Rappelons que ces particules et forces ne sont généralement pas considérées comme existant en elles-mêmes, mais comme des phénomènes manifestant l’existence de dynamiques plus profondes encore inconnues. Cependant, comme elles ne se produisent pas au hasard, elles doivent bien obéir à quelque chose qu’il faudrait faire apparaître, existant soit dans la nature, soit dans ce que nous appelions dans un paragraphe précédent le super-organisme scientifique.

* Cinquième problème, particulièrement d’actualité : obtenir une théorie qui explique les phénomènes dits de la matière noire et de l’énergie noire. Ceux-ci sont considérés comme de grands succès récents de l’observation expérimentale du cosmos, montrant que les modèles théoriques purement mathématiques ne peuvent jamais prétendre donner des prévisions complètes de ce qu’est la nature. L’observation surprend toujours. On sait, concernant la matière noire, que l’observation des vitesses orbitales des étoiles dans les galaxies ne correspond pas à ce qu’elle doive être compte tenu des masses visibles. L’erreur est dans un facteur de plus de 10, ce qui laisse supposer l’existence de formes de matière ou d’énergie non encore détectables. Concernant l’énergie noire, il s’agit d’une force d’expansion (dite aussi constante cosmologique, pour des raisons que nous ne rappellerons pas ici) qui s’ajoutant à l’expansion du cosmos depuis le Big Bang, a été récemment observée et paraît responsable d’une accélération uniforme du cosmos tout entier. Ainsi, il apparaît dorénavant que 96% des propriétés observées de l’univers, propriétés que l’on regroupe désormais dans un « modèle standard de la cosmologie », correspondent à des phénomènes dont on ne sait absolument rien.

Ou bien la matière noire et l’énergie noire existent et il faut expliquer à quoi elles correspondent. Ou bien elles n’existent pas, mais alors il faut expliquer pourquoi la gravité apparaît modifiée sur de grandes échelles. A nouveau se pose la question inhérente à la physique fondamentale : pourquoi les constantes du modèle standard (ici le modèle standard de cosmologie, incluant l’énergie noire), ont les valeurs qu’elles présentent à l’observation – étant supposé, évidemment, que cette dernière soit fiable ?

Le rêve de l’unification

Les chapitres suivants de TTWP (2, 3 et 4) explicitent, avec la clarté pédagogique caractéristique de l’auteur, le développement des théories d’unification en cosmologie et en physique. Cette histoire commence vraiment avec l’affirmation de Giordano Bruno, selon laquelle les étoiles étaient des soleils comme le nôtre (affirmation qui causa sa condamnation à mort et son exécution par l'Inquisition). Elle se poursuit encore aujourd’hui, jusqu’à la dernière hypothèse en date, la théorie des cordes. Lee Smolin s’interroge sur la pertinence du besoin d’unifier les théories. En dehors du fait que les hypothèses unificatrices répondent à un besoin d’esthétique, elles correspondent le plus souvent à des avancées conceptuelles et paradigmatiques, entraînant de nouvelles hypothèses et de nouvelles découvertes. Mais il arrive qu’elles induisent des erreurs, surtout lorsqu’elles ne sont pas démontrables par l’expérience.

La théorie de la relativité générale d’Einstein a fait plus qu’unifier, elle a introduit une géométrie de l’espace et du temps indépendante de l’arrière-plan (background independent). Ce caractère est fondamental pour Lee Smolin et devrait être retrouvé par toutes les théories unificatrices futures, visant notamment à intégrer mécanique quantique et relativité dans la future gravitation quantique. Dire que la théorie de la relativité générale est indépendante de l’arrière plan (background) signifie qu’elle peut être formulée sans fixer auparavant une métrique. Tous les champs y sont dynamiques, tous interagissent, tous s’influencent respectivement. Cependant Einstein échoua dans sa tentative de créer une géométrie de l’espace-temps capable d’unifier la gravité et l’électromagnétisme. Avec le développement de la physique quantique après 1930, il ne lui fut pas davantage possible d’unifier cette nouvelle physique avec les autres forces. Lee Smolin raconte comment Einstein perdit tout crédit dans cette tentative vaine, alors que l’élite de la physique mondiale se tournait vers la physique quantique.

Dans le cadre des deux grandes théories de physique fondamentale du XXème siècle, la relativité et la mécanique quantique, notons que la culture et la formation de Smolin sont essentiellement orientées vers la relativité, à contre courant de la plupart des physiciens théoriciens contemporains. Il est étonnant d’ailleurs, que lors qu’il parle de mécanique quantique, il ne cite que très rarement le nom de Paul Dirac dont les travaux sur l’anti-matière et l’équation relativiste de l’électron ont à la fois couronné les débuts de la mécanique quantique des années 1930, et servi de point de départ à l’électrodynamique quantique, continuée par la suite, entre autres par Richard Feynmann.

Les efforts d’unification se poursuivirent néanmoins, à partir de la physique quantique, dans la direction des forces autre que la gravitation : l’électromagnétisme : théorie quantique des champs, électrodynamique quantique) …jusqu’au modèle standard des particules élémentaires proposé en 1970. Mais au-delà, les tentatives d’unification, dites de grande unification, ne purent aboutir. Il fallait inventer une symétrie capable de transformer les quarks, constituant des protons, en leptons. Le nom de code en est SU(5). Mais il n’a pas été possible à ce jour de prouver la désintégration du proton prévue par la théorie. Il paraît nécessaire à Lee Smolin d’en conclure que la grande unification SU(5) était une hypothèse fausse.

La rupture enre théorie et expérience

L’échec des premières théories de grande unification n’a pas empêché les théoriciens de formuler de nouvelles hypothèses, mais cet échec a, selon l’expression de Lee Smolin, ouvert en physique une crise qui se poursuit encore. La théorie et l’expérimentation ont cessé de travailler main dans la main comme elles l’avaient toujours fait jusqu’alors. A partir des années 80, un certain nombre de physiciens restés fidèles à l’expérimentation se sont contentés d’approfondir le modèle standard. Cependant la plupart des théoriciens se sont engagées dans des hypothèses encore plus ambitieuses que celles concernant la grande unification. Le chapitre 5 du livre décrit les orientations retenues, hormis la théorie des cordes examinée dans les chapitres suivants. Il s’agit d’une histoire compliquée que nous n’évoquerons évidemment pas ici. Bornons-nous à dire que ces hypothèses ont principalement visé à unir les deux grandes classes d’objets supposés construire le monde : les particules (quarks et leptons) et les champs (ou forces) au sein desquels elles interagissent. Selon la théorie quantique, les particules sont aussi des ondes mais la théorie n’unifie pas pour autant les particules et les champs. La théorie distingue au contraire deux grandes classes de particules élémentaires, les fermions et les bosons. Les fermions sont les particules de matière (électrons, photons, neutrinos). Les bosons sont les particules associées au champ. Le photon est un boson, de même que les bosons faibles W+, W- et Z° de la force nucléaire faible et les gluons de l’interaction nucléaire forte (voir encadré ci-dessous).

Pour poursuivre les tentatives d’unification, il a paru nécessaire de définir un processus dit de supersymétrie dans lequel il serait possible de remplacer un fermion par le boson correspondant sans changer les conditions de l’expérimentation. Dans ce cas, chaque particule aurait un superpartenaire à découvrir, dit « s », par exemple le sélectron pour l’électron. L’encore hypothétique « boson de Higgs », objet de toute l’attention de la presse technique, serait le boson correspondant, dans les théories de supersymétrie, à la force électrofaible (interaction entre électromagnétisme et force nucléaire faible du modèle standard). C’est la seule particule de ce modèle non encore observée. Sa découverte aurait un rôle capital car elle permettrait d’expliquer la différence de masse entre les autres particules élémentaires, particulièrement entre le photon sans masse et les bosons W et Z. Elle légitimerait ainsi l’ensemble du modèle standard des particules élémentaires, alors que sa non-découverte remettrait en cause beaucoup des hypothèses correspondantes. D’où l’intérêt qui s’attache à ce que montrera le futur LHC du Cern quand il entrera en fonction dans les prochains mois.

En attendant, la supersymétrie reste une hypothèse. Mais même au cas où l’hypothèse serait vérifiée, Lee Smolin considère qu’elle ne répondrait à aucun des cinq problèmes qu’il a identifiés au début de son livre, notamment pourquoi les constantes du modèle standard sont ce qu’elles sont. En effet, la supersymétrie comporte un grand nombre de variables libres, que le théoricien peut fixer à son gré pour justifier ses choix de modélisation.

Les bosons de jauge (source Le journal du Net
http://www.journaldunet.com/science/divers/dossiers/06/particules-elementaires/9.shtml )

Comment la matière tient-elle ensemble ?

La réponse résulte dans l'interaction des quatre forces physiques : la gravité, la force nucléaire forte, la force nucléaire faible et la force électromagnétique.

Ces forces agissent sur les fermions élémentaires par l'échange de bosons de jauge, l'autre classe de particules élémentaires. On appelle aussi les bosons de jauge des "particules de rayonnement".

Responsables des forces de la nature
Il existe 12 bosons de jauge dans le modèle standard : le photon, 8 gluons et 3 bosons faibles. En plus, on prédit l'existence du graviton qui n'a pas encore été observé, et celle du boson de Higgs.

Chaque boson de jauge est associé à une force. Le photon transmet la force électromagnétique. Les gluons transmettent la force nucléaire forte. on peut comparer cette force à un élastique incassable : il faudrait une force infinie pour séparer les quarks qui sont unis grâce aux gluons. Enfin, les bosons faibles transmettent la force nucléaire faible, et le rôle du graviton est de transmettre la force gravitationnelle.

Notons que le graviton ne fait pas partie du modèle standard. Son existence est purement théorique et aucune expérience n'a encore démontré sa présence.

Quant au boson de Higgs, il serait responsable de la masse des autres particules. Son existence n'a jamais été démontrée non plus. C’est en particulier l’enjeu du futur grand accélérateur LHC du Cern, qui devrait démarrer fin 2007.

Pour en savoir plus
• le modèle standard par Gilles Cohen-Tannoudji
http://gicotan.club.fr/modelestandard.htm
• Cours en ligne "Voyage vers l'infiniment petit" de l'Ecole Normale Supérieure http://www.diffusion.ens.fr/vip/pageA01.html


Le chapitre 6 évoque les tentatives, engagées aussi dans les années 1989, pour développer une théorie consistante de la gravitation quantique. Lee Smolin y reprend les grandes lignes de son précédent ouvrage, Three Roads to Quantum Gravity, référencié en introduction. Il y rappelle que pour lui une telle théorie doit être indépendante de l’arrière-plan comme l’est la théorie de la relativité. Ceci veut dire que la géométrie de l’espace ne doit pas y être fixée à l’avance. L’espace évolue dynamiquement selon les mouvements de la matière en son sein. Il existe aussi des ondes gravitationnelles qui parcourent la géométrie de l’espace. L’espace peut avoir dans certains cas plus de trois dimensions. Il n’y a pas de loi qui définisse ce que doit être une fois et pour toutes la géométrie de l’espace, il y a seulement une loi qui définit comment la géométrie évolue. Ainsi la géométrie de l’espace ne fait pas partie des lois fondamentales de la nature. Elle évolue en fonction de lois plus profondes. Il en est de même du temps. Le monde doit être décrit en termes d’événements et de relations, d’où découlent des causalités. Mais ces événements ne sont pas référencés à un temps défini de l’extérieur.

Lee Smolin observe que les hypothèses relatives à la gravitation quantique proposées à partir des années 1970 sont toutes du type « indépendant de l’arrière-plan », sauf la théorie des cordes. C’est là pour lui le plus grand défaut de celle-ci. La responsabilité en a incombé à Einstein et aux relativistes qui ne surent pas dès l’apparition de la mécanique quantique obliger celle-ci à prendre en compte l’hypothèse de l’existence d’ondes gravitationnelles (il est vrai particulièrement faibles, si elles existent et jusqu’à ce jour inobservées) et faire ainsi de la mécanique quantique une théorie indépendante de l’arrière-plan. Elle ne l’est toujours pas, ce qui limite nécessairement ses ambitions cosmologiques. D’intéressantes recherches sont conduites aujourd’hui autour des trous noirs, qui disposent de champs gravitationnels suffisamment forts pour y étudier la supergravité. Mais rien de substantiel ne permet encore d’en tirer les bases d’une théorie substantielle de la gravitation quantique.

Les révolutions avortées de la théorie des cordes

La seconde partie de TTWP est consacrée à la théorie des cordes. On sait que pour Lee Smolin, il s’agit essentiellement d’une impasse, pour la raison principale que les hypothèses qu’elle propose ne sont pas testables. Elles sont de toutes façons en si grand nombre que les théoriciens des cordes peuvent toujours prétendre, face à un résultat contredisant telle variante, qu’il en existe une autre susceptible d’être ultérieurement confirmée. Lee Smolin au contraire s’en tient fermement aux considérations de Karl Popper, selon lesquelles une bonne théorie scientifique doit, non seulement être prouvable, mais aussi falsifiable. Il a été décrit comme un « popperrazzi », ce qu’il accepte volontiers d’être. Là encore, nous n’entrerons pas dans les nombreux arguments permettant à Smolin et ceux qui, de plus en plus nombreux, prennent leurs distances vis-à-vis de la théorie des cordes, de justifier leur refus d’y voir la Théorie du Tout que ses promoteurs ont voulu faire.

Toujours d’un point de vue épistémologique, ce livre est d’ailleurs aussi un remarquable exemple d’application, sur un cas contemporain, des thèses de Thomas Kuhn dans son œuvre célèbre « La structure des révolutions scientifiques » : on assiste « en direct » à la fissure d’un « paradigme » de science « normale »

Les chapitres 7, 8, 9, 10 et 11 du livre analysent ce que Lee Smolin appelle les prémisses, la première révolution et la seconde révolution de la théorie des cordes, ainsi que les développements ayant suivi de la part des défenseurs de la théorie. Le Chapitre 12 suivant recense les points que la théorie des cordes expliquerait, c’est-à-dire les apports positifs qu’elle aurait fait à la cosmologie et à la gravitation quantique. Mais on verra que ses apports sont pour lui limités. La théorie ne répond à aucun des 5 grands problèmes de la physique contemporaine qu’il a identifiés au début de son livre, sauf au troisième de ces problèmes : l’unification des particules et des forces, ceci il est vrai dans une perspective « dépendante de l’arrière-plan qui limite la portée de la démarche. Ce faisant, la théorie des cordes évoque une « simple loi » permettant de comprendre pourquoi les particules sont ce qu’elles sont à l’observation. C’est que les cordes qui leur correspondent se déplacent dans l’espace-temps de façon à minimiser l’aire qu’elles occupent (comme le font des bulles de savon). On retrouverait là une loi fondamentale des théories constructales selon laquelle les formes de la nature sont ce qu’elles sont du fait que la concurrence entre elles les obligent à minimiser l’énergie qu’elles consomment.

Rappelons rapidement que pour la théorie des cordes, toutes les particules et les forces (bosons) que l’on observe découlent de la vibration d’objets minuscules en forme de cordes, linéaires ou bouclées. La théorie des cordes se veut une théorie de la gravitation quantique puisqu’elle intègre dans son approche les forces gravitationnelles. Les différentes espèces de particules correspondent à des modes différents de vibration de ces cordes élémentaires. Pour produire les formes complexes correspondant à ces particules, les cordes se développent dans des espaces dotés d’un plus grand nombre de dimensions que l’espace ordinaire, au moins six dimensions supplémentaires. Mais celles-ci n’ont pas été observables à ce jour du fait de leurs tailles submicroscopiques. De plus, les formes pouvant être ainsi adoptées sont en très grand nombre, correspondant à différents univers, avec des particules différentes et des constantes fondamentales également différentes. On ajoutera que pour les théoriciens des cordes les trois dimensions de l’espace sont confinées à la surface de membranes ou branes flottant dans un espace multidimensionnel. Ces branes peuvent entrer en collision et provoquer des explosions d’énergie analogue à la collision matière-anti-matière.

Les défenseurs de la théorie des cordes (il en reste) dont notamment Joe Polchinski, de l’université de Californie, à qui Lee Smolin répond sur le site de son livre (voir notre encadré introductif), ne désespèrent pas cependant d’obtenir prochainement certaines preuves, sinon décisives, du moins encourageantes. Un article d’ Amanda Gefter, dans le New Scientist du 14 juillet 2007, p. 30, les énumère. Les possibilités sont les suivantes :

- détecter des supercordes ayant subi une forme d’inflation leur ayant donné des dimensions cosmologiques. Ces objets exerceraient un effet de lentille gravitationnelle, au cas où ils s’interposeraient entre la Terre et une étoile lointaine. Plus généralement, ils devraient produire des ondes gravitationnelles très puissantes, détectables dans l’ observatoire LIGO et le futur LISA. De telles ondes devraient aussi perturber le rythme des émissions radio émanant d’un pulsar.
A l’inverse, des ondes gravitationnelles trop fortes, qui seraient observées dans les image micro-ondes du fonds de ciel (CMB) obtenues par l’observatoire orbital Wilkinson ou le futur observatoire européen Planck seraient incompatibles avec la théorie des cordes.

- expliquer pourquoi des plasmas de quarks et gluons obtenus dans les collisions entre atomes d’or dans le Relativistic Heavy Ion Collider de Brookhaven se comportent non comme le gaz prévu par la chromodynamique quantique mais comme un liquide auquel correspondrait un trou noir prévu par la théorie des cordes. Cela ne serait pas une preuve définitive de la validité de cette dernière, mais pourrait en être un indice fort.

- prouver l’existence des extra-dimensions prédites par la théorie des cordes au cas où le futur LHC du Cern montrerait que des débris résultant des collisions organisées par ce dernier seraient « avalés » au lieu d’être conservés. Ils pourraient l’être au sein des extra-dimensions de la théorie des cordes. Au-delà, si le LHC prouve la supersymétrie en faisant apparaître de superparticules, il fournirait un nouvel indice fort en faveur de la théorie des cordes.


Lee Smolin prend soin, dans son livre et ses articles, de ne pas condamner à l’avance toutes perspectives expérimentales pouvant apporter des preuves à la théorie des cordes. Il est plus prudent et, en bon scientifique, il réserve l’avenir. Mais il nous prévient du fait, déjà signalé dans cet article, qu’existant non pas une mais des millions de théories des cordes ou de modèles en découlant, il est trop facile aux théoriciens de trouver l’explication ponctuelle à telle ou telle observation pouvant être considérée comme une preuve de la théorie. De même, les expériences qui la contrediraient explicitement peuvent toujours être considérées comme invalidant telle version de la théorie et non les autres.

Pour notre part, nous pensons, avec Lee Smolin, que la cause de la théorie des cordes est entendue. Elle est fausse ou, en tous cas, gravement inadéquate. Il en est de même de la théorie du Tout et la M.théorie qui en sont des versions « journalistiques », destinées à encourager de généreux donateurs. Il est temps, comme le fait TTWP, de passer à autre chose, c’est-à-dire aux hypothèses, reposant sur de nouvelles observations, pouvant montrer que des approches résolument révolutionnaires doivent dorénavant être poursuivies pour comprendre l’univers ou, tout au moins, pour interpréter les nouvelles expériences qui s’accumulent en ce moment. Ce ne seront pas alors les seuls fondements de la théorie des cordes qui seront remis en cause, mais ceux des piliers désormais centenaires de la physique fondamentale, les deux relativités et la mécanique quantique.

Vers une nouvelle physique

La Troisième partie de TTWP, avec les chapitres 13, 14 et 15, vise à évoquer les différentes approches que Lee Smolin recommande aux lecteurs d’analyser, s’ils veulent interpréter correctement les nombreux articles publiés par la littérature scientifique et qui contribuent, soit ponctuellement, soit plus systématiquement, à définir les contours d’une nouvelle physique. Celle-ci n’est pas encore fixée sous forme d’un paradigme susceptible de remplacer les paradigmes relativiste et quantique, mais les visionnaires (ceux que Smolin appellent des « seers » dans son livre), commencent à en faire apercevoir les contours.

Comme visionnaires, outre des physiciens qu’il côtoie, Lee Smolin prend l’exemple d’un mathématicien français contemporain (il a 79 ans) , Alexander Grothendieck, médaille Fields, génie des mathématiques du XXème siecle, dont les concepts – théorie des motifs, topos..- sont repris par Alain Connes, préfacier de TTWP, dans un livre de physique mathématique de plus de 600 pages qui vient de sortir mi-juillet « Non commutative geometry, Quantum fields and motives ». Alain Connes, pour traiter en mathématicien de la physique fondamentale, s’appuie aussi sur les concepts formulés en 1832 par un autre génie mathématique visionnaire de 20 ans : Evariste Galois.

Le paysage reste complexe, sans directions encore privilégiées, car la nouvelle physique explore de nombreuses voies. Ces voies peuvent apparaître contradictoires mais rien n’exclut qu’elles convergent à terme dans une nouvelle grande synthèse. Parmi les visionnaires, Lee Smolin range un certain nombre de chercheurs travaillant autour du Perimeter Institute ou provenant des laboratoires européens dont la culture scientifique s’oppose nettement, selon lui, à la culture américaine dominante trop impliquée dans la théorie des cordes. Nous n’hésiterons pas, pour notre part, à ranger Lee Smolin au premier rang des visionnaires sur lesquels il compte pour renouveler la physique. Il n’a peut-être pas encore produit une hypothèse théorique appuyée sur une preuve expérimentale capable de lui mériter le prix Nobel. Mais il est un des seuls à pouvoir décrire la physique avec la hauteur de vue qui s’impose non seulement à un physicien digne de ce nom mais à ce qu’il est aussi sans le reconnaître, c’est-à-dire un philosophe des sciences.

A nouveau, nous ne pouvons entrer dans les détails des directions de recherche évoquées par TTWP, dont chacune mériterait un article circonstancié. Inutile de dire que la plupart ne sont pas compatibles avec la théorie des cordes. Bornons-nous à en donner une liste abrégée, en suivant l’ordre du livre :

* Les régularités étonnantes pouvant apparaître suite aux analyses de plus en plus précises de la température de fond de ciel cosmique (CMB) résultant des données recueillies par l’observatoire orbital Wilkinson, en attendant celles du futur observatoire européen Planck. Des pics et des axes privilégiés de radiation (axe du Diable) semblent contredire l’hypothèse encore généralement admise de l’inflation supposée avoir homogénéisé le paysage à grande échelle.

* Les différences d’accélération entre étoiles au sein des galaxies pouvant laisser suspecter l’existence d’une modification, dans certaines conditions, de la loi de Newton. Il s’agit de la désormais célèbre MOND ou Modified Newtonian Dynamics dont la prise en compte obligerait de modifier la relativité générale à certaines échelles.

* Les expériences susceptibles de remettre en cause les constantes dites fondamentales de l’univers. De plus en plus, comme nous l’avons nous-mêmes indiqué dans divers articles, il serait peu scientifique de considérer qu’à toutes les échelles, celles-ci soient effectivement et à jamais invariables. C’est en premier lieu le cas de la vitesse de la lumière, qui pourrait être dépassée aux très grandes énergies, comme le montre notamment l’observation des rayons cosmiques extrêmement énergétiques arrivant sur Terre. Le détecteur de rayons cosmique Pierre Auger, qui commence à fonctionner en Argentine, apportera prochainement des informations décisives. L’observation des sursauts ou explosions gamma pourrait donner des éléments comparables. Le prochain Gamma Ray Large Area Space Telescope permettra de préciser les informations reçues de l’espace.

Rappelons que nous avons dans cette revue présenté le livre « Faster than the Speed of Light », dans lequel João Magueijo avait défendu une première version de sa thèse, d’ailleurs toujours controversée, relative au caractère non absolu de la vitesse de la lumière http://www.automatesintelligents.com/biblionet/2003/mai/magueijo.html

* Si la vitesse de la lumière n’était plus une constante, ce serait à son tour la relativité restreinte d’Einstein qui devrait être modifiée ou, tout au moins approfondie. On sait que celle-ci repose sur deux principes : la relativité du mouvement et le caractère absolu de la vitesse de la lumière. Remettre en cause ce dernier principe conduit à ce que l’on désigne du terme de relativité doublement restreinte (en anglais, DDR, deformed ou doubly special relativity). Celle-ci entraînerait à son tour une remise en cause de la valeur absolue de la longueur de Planck. Encore controversée, cette hypothèse postulée pour la première fois par Giovanni Amelino-Camelia, rejoint par João Magueijo et Lee Smolin, postule qu’une échelle basée sur celle de Planck devrait rester invariante dans les transformations relativistes, et serait donc indépendante de la vitesse de l’observateur et de l’unité de mesure qu’il utilise. Lee Smolin a rattaché ces points à l’exploration qu’il continue à faire de la gravitation quantique en boucles. Les promoteurs de la DDR espèrent bientôt pouvoir tester ses prédictions.

* Les nouveaux développements de la gravitation quantique, reposant sur une théorie indépendante de l’arrière-plan, et respectant ainsi le postulat fondamental de la relativité générale. De nouvelles hypothèses ne font pas de l’espace ou de ce qui s’y déplace le cadre à considérer en premier. Elles s’inspirent de la physique quantique. L’espace pour elles doit être une propriété émergente, comme la température d’un corps émerge du mouvement des atomes qui le constituent. Les propriétés fondamentales seraient alors discrètes et s’organiseraient autour de relations où la causalité jouerait un rôle premier. Lee Smolin consacre plusieurs pages à l’état actuel de la théorie de la gravitation quantique en boucles qui, s’inspirant de ces considérations et contrairement à la théorie des cordes, représente à ses yeux et à ceux de beaucoup de théoriciens renommés, dont semble-t-il le mathématicien français Alain Connes, inventeur de la géométrie non commutative, une perspective crédible.

Nous observerons ici pour notre part que l’hypothèse selon laquelle le monde physique que nous connaissons, avec ses constantes fondamentales, serait constitué de propriétés émergentes d’un monde quantique sous-jacent, est de plus en plus explorée. L’article que nous publions dans ce même numéro en fournit un exemple, avec notamment le thème qui nous paraît très prometteur du darwinisme quantique, que Lee Smolin ne pouvait pas connaître en 2005, quand il écrivait son livre.

* Nous mentionnerons pour finir les hypothèses, non citées par Lee Smolin, mais révélatrices de l’effervescence de la jeune physique, relatives aux particules dites Axion et Chameleon susceptibles d’expliquer l’énergie noire (voir notamment le NewScientist, 21 juillet 2007, p. 10).

En conclusion, les visionnaires

Le chapitre final 18 du livre élargit le regard en présentant une série de visionnaires de la physique dont les approches, même si elles ne sont pas toujours reconnues par la science dominante (mainstream), lui paraissent devoir elles-aussi contribuer au renouveau des fondements conceptuels et paradigmatiques de la physique. Nous retiendrons ici les noms de Roger Penrose, Robert Laughlin, Holger Bench Nielsen (inventeur des random dynamics), Gerard ‘t Hooft, Julian Barbour (auteur de The End of Time, 2001), David Finkelstein, Antony Valentini (auteur de Pilot-wave Theory of Physics and Cosmologie, à paraître, où il reprend et généralise l’hypothèse des variables cachées en physique quantique)…sans oublier David Deutsch et Seth Lloyd, dont nous avions en leur temps présenté les ouvrages.

Cette liste, comme les noms que nous n’avons pas cités ici, sont pour Lee Smolin comme pour nous la preuve que la physique fondamentale, loin d’être en crise, à la suite des errements de la théorie des cordes, serait au contraire en plein renouveau. Voici qui devrait exciter les imaginations des jeunes chercheurs, s’il en reste dans un monde dominé par la Télé-réalité.

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