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dont le Japonais). |
Publiscopie
The
Trouble with Physics
The
Rise of String Theory,
the Fall of a Science and what comes next
par
Lee Smolin
Houghton
Mifflin Cie
2006
Traduit
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
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.
