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1er Octobre 2002 Notes
par Jean-Paul Baquiast et Christophe Jacquemin
Three Roads
to Quantum Gravity
Lee
Smolin
Basic
Books
2001
On
se demandera en quoi les travaux d'un physicien théorique
pratiquement inconnu du grand public en France peuvent intéresser
une revue comme la nôtre, et qui plus est mériter
que nous suggérerions (comme nous le faisons en notre
for intérieur) de comparer ce scientifique aux plus
grands de la science occidentale, Newton, Darwin, Einstein
ou Bohr ?
Qu'est-ce qui donne sa portée universelle à
une œuvre scientifique ? D'abord évidemment
l'étendue des connaissances, l'imagination créatrice,
la capacité à dépasser sinon refuser
les paradigmes dominants sans lesquelles les recherches
demeurent de simples bricolages de laboratoire. C'est ensuite
la capacité à faire la liaison entre la science,
la philosophie et plus généralement la politique,
de façon à ouvrir l'imagination des hommes
de son temps, en suscitant notamment chez les chercheurs
plus jeunes de nouvelles vocations permettant d'amplifier
la portée de l'œuvre initiale, d'en faire une
véritable nouvelle façon de voir le monde
et le transformer. Pour cela, il faut se donner le mal d'écrire,
et d'écrire comme l'a fait Smolin, en 3 ou 4 années,
sans cesser ses recherches, deux volumes de plus de 300
pages dépourvus de toute formule mathématique.
C'est enfin l'humanité, si on peut employer à
bon escient ce mot à tout faire : savoir se considérer
soi-même comme un homme fragile ne tirant sa force
que des relations de coopération avec les autres,
acceptant de mettre et faire mettre ses idées en
doute - mais ayant néanmoins face à toutes
les censeurs de la liberté intellectuelle la volonté
de mettre la science fondamentale telle qu'elle est conçue
en Occident au-dessus de toutes les formes d'idéologies
et de croyances dont des tyrannies intégristes veulent
se servir pour nous empêcher de penser comme on estime
de son devoir et dans ses moyens de le faire.
Les lecteurs nous diront : soit, mais en quoi Lee Smolin,
ce "young guy with those crazy ideas?", ce "jeune homme
avec des idées si bizarres, mais peut-être
pas fausses dont parlait le grand physicien Murray Gell-Mann,
mérite-t-il un tel panégyrique. Ses deux livres,
que nul à ce jour n'a jugé bon de traduire
en français - ce qui est soit dit en passant quelque
chose comme un crime contre l'esprit, vu du point de vue
de nos concitoyens - traitent en effet de sujets aussi incertains
scientifiquement qu'ésotériques, le premier
en présentant une théorie cosmique de l'évolution
et le second en faisant le point sur l'état (à
l'époque où il fut écrit, c'est-à-dire
avant 2001) des travaux sur la gravitation quantique. Il
n'est pas cependant besoin d'être un physicien et
un cosmologiste averti pour voir que ces livres abordent
les deux sujets clefs de ce que sera probablement, non seulement
la physique mais la science fondamentale des prochaines
décennies : peut-on considérer l'univers entier
comme un système et en ce cas, à quelles lois
obéirait-il et, plus précisément, peut-on
pour le décrire réconcilier ces deux grandes
avancées de la science du 20e siècle, aujourd'hui
encore peu compatibles entre elles, la relativité
de Einstein et la mécanique quantique de Bohr, Heisenberg
et Schrödinger.
Soit, direz-vous, mais nous ne sommes pas les lecteurs d'une
revue de physique fondamentale. En quoi ces questions peuvent-elles
intéresser la vie artificielle et la robotique, la
biologie et la génétique, bref les sciences
dont vous prétendez faire l'objet principal de vos
activités éditoriales ? Evidemment, plutôt
qu'argumenter, je vous dirai de lire Smolin. La réponse
vous sautera aux yeux, car son grand mérite précisément
est de savoir donner à ses hypothèses les
aperçus interdisciplinaires qui les rendront, pensons-nous,
si fécondes pour l'avenir. En attendant, par ce trop
court article, je vais cependant tenter de signaler les
retombées possibles de ces recherches, dans les domaines
qui sont préférentiellement les nôtres,
mais aussi dans les domaines de la philosophie et de la
politique contemporaine. Mais je n'ai ce faisant qu'une
ambition, c'est vous convaincre de lire à votre tour
ce " young guy ".
Ceci dit, que l'on se rassure. Les futures avancées
de la théorie des cordes ou de l'hypothétique
Théorie M qui devrait la prolonger, ne reposent pas
sur les seules épaules de Lee Smolin. La physique
fondamentale théorique et sa soeur, la physique fondamentale
expérimentale, attirent aujourd'hui un grand nombre
de chercheurs. Les crédits, sans être suffisants,
sont plus abondants que dans d'autres disciplines, à
la mesure il est vrai du coût des grands instruments.
Si Lee Smolin apparaîtra sans doute comme un Darwin
du début du 21e siècle, il partagera certainement
cette renommée avec de nombreux autres, dont d'éminents
scientifiques européens. Mais Lee Smolin, à
notre avis, détient pour le moment le mérite
de penser plus large et plus loin que ses collègues.
En tous cas, il nous invite à le faire pour notre
compte.
Nous devons nous-mêmes ici un grand merci à
Jean-Claude Heudin, qui ne nous avait pas attendu pour s'inspirer
des idées de Lee Smolin, et qui nous a indiqué,
lors de l'entretien que nous avons eu récemment,
toutes les conséquences fructueuses qu'il en avait
tirées.
Lee
Smolin est actuellement chercheur au Perimeter Institute
for Theoretical Physics et professeur de physique à
Waterloo University, Canada.
Nous présentons ici le plus récent
des deux livres de Lee Smolin, Three Roads to Quantum Gravity. C'est
ce dernier qui est le moins contestable, en ce sens qu'il ne formule
pas comme son aîné des hypothèses sur l'univers
qui sont loin d'être admises par la communauté scientifique.
De plus, les travaux sur la gravitation quantique prennent actuellement
une grande importance et une grande actualité. Les choses
y changent très vite. D'où l'intérêt
de nous en informer sans attendre - ce qui ne retire rien, comme
on le verra à leur grand intérêt.
Le livre, nous l'avons indiqué, propose
une synthèse (rédigée avant 2001, mais sans
doute encore valable dans ses grandes lignes bien que les choses
évoluent vite en ce domaine) des travaux relatifs à
la gravitation quantique (GQ). On sait qu'il s'agit là de
rechercher une théorie de l'Univers qui unisse les deux fondements
de la physique moderne, la relativité générale
(RG) d'Einstein concernant les phénomènes à
grande échelle, planètes, systèmes solaires,
galaxies, et la mécanique quantique (MQ), qui étudie
le domaine du très petit, à l'échelle nanométrique
et en dessous : molécules, atomes, particules élémentaires.
On a pu parler de rechercher une Théorie de Tout. Mais il
s'agit que d'une image. En réalité, il faut faire
avancer en les fusionnant RG et MQ qui, parties de bases différentes,
sont incompatibles et surtout, ne peuvent expliquer en l'état
de nombreux phénomènes découverts récemment
avec les progrès de l'instrumentation, tant au plan macroscopique
que subatomique. On reste là cependant au niveau fondamental
et on ne prétend pas expliquer tous les phénomènes
et tous les processus nés de l'émergence de la complexité.
L'inconvénient, si l'on peut dire, de ces
recherches est qu'elles sont encore, selon leurs auteurs eux-mêmes,
purement théoriques. Elles travaillent à de telles
échelles d'espace, de temps ou d'énergie qu'on ne
dispose pas des appareils permettant de les tester. Les chercheurs
attendent cependant beaucoup du futur grand accélérateur
du CERN. Tout laisse à penser que, dans moins de dix ans,
si on est optimiste, la vision du monde dont disposera la science
occidentale sera radicalement changée et infiniment plus
riche en applications pratiques.
Le livre de Lee Smolin a pour objet de faire comprendre
tout cela. Il s'agit d'un ouvrage, si on en croit les remerciements
de l'auteur, qui a été largement critiqué et
complété par les collègues de celui-ci, mais
cela ne retire rien à ses mérites. La rédaction
est très claire et lisible, même pour quelqu'un lisant
mal l'anglais. Lee Smolin n'hésite pas par ailleurs à
raconter sa propre aventure de chercheur, avec ses allers-retours,
ses incertitudes, parfois ses erreurs. Il en profite d'ailleurs
pour montrer que ses prédécesseurs, tel Einstein,
dont il a étudié les travaux préparatoires,
ont suivi les mêmes itinéraires hésitants avant
d'être figés par la renommés dans des statures
grandioses. Au plan de la probité scientifique, l'auteur
est exemplaire, en distinguant chaque fois que nécessaire
ses propres hypothèses de celles de ses collègues.
Il souligne par ailleurs, comme nous venons de le dire, que le domaine
traité n'a pas encore pu faire l'objet de preuves expérimentales.
Le Prologue rappelle au lecteur que la question
posée dans le livre est une des plus ancienne et des moins
bien résolue qui soit : qu'est ce que le temps et l'espace
? L'humanité a toujours situé ses perceptions et activités
immédiates dans le temps et l'espace, mais en concevant ceux-ci,
y compris dans la physique Newtonienne, d'une façon conforme
à ses croyances religieuses. RG d'abord, MQ ensuite ont radicalement
changé cela, en imposant des représentations contre-intuitives,
comme on dit, du temps et de l'espace. Mais elles se sont révélées
ce faisant incomplètes et limitées. Plus grave, on
ne peut les rapprocher. Leur principale différence tient
au statut de l'observateur. Dans la RG, l'observateur est, comme
dans la physique newtonienne, extérieur au monde qu'il observe.
Il n'influe pas sur lui. On sait que ce n'est pas le cas dans la
MQ. Par contre la MQ ne remet pas en cause la conception newtonienne
du temps et de l'espace, contrairement à la RG. Il faudra
trouver une nouvelle théorie qui fasse la synthèse
des deux. Ce sera la GQ ou théorie quantique de la gravitation,
qui unifiera la théorie quantique, s'intéressant aux
forces et aux particules élémentaires avec la théorie
de la gravitation, force jusqu'ici restée en dehors, car
s'exerçant dans un autre domaine, comme l'a montré
Einstein, celui du temps et de l'espace cosmiques.
Le titre du livre se justifie parce que, selon
Lee Smolin, trois routes sont actuellement suivies par les chercheurs
pour aboutir à la GQ : la première développée
à partir de la MQ qui donne naissance à la théorie
des cordes (string theory), la seconde développée
à partir de la RG qui donne la théorie de la gravité
quantique en lacets (GQL) ou en boucles (loop quantum gravity).
Bien que différentes, ces deux approches, selon l'auteur,
devraient se compléter et se rejoindre. L'une et l'autre
décrivent le temps et l'espace à l'échelle
dite de Planck, soit (pour ce qui concerne l'espace) une dimension
10 puissance 20 fois plus petite que celle du noyau de l'atome.
Contrairement à Brian Greene, qui se présente comme
l'homme de la théorie des cordes, Lee Smolin a surtout travaillé
la GQL.
La 3e voie vers la GQ est celle, selon Smolin,
de quelques individualités qui refusent les bases à
la fois de la MQ et de la RG, pour développer des concepts
et formalismes entièrement nouveaux. Ils poseraient des questions
telles que "qu'est-ce que le temps" et "Comment décrire un
univers auquel nous participons" qui, toujours selon Smolin, devraient
être à la source des avancées conceptuelles
de l'avenir. Parmi eux se trouve le mathématicien français
Alain Connes, qui a proposé une toute nouvelle géométrie
non commutative, susceptible de rendre de grands services dans la
mathématisation de la nouvelle vision. On y compte aussi
David Finkelstein, Christopher Isham, Raphael Sorkin et le vétéran
Roger Penrose. Lee Smolin, qui se dit d'un tempérament optimiste,
estime que ces trois voies différentes devraient converger
très vite, en donnant naissance à la nouvelle théorie
physique que tous le monde attend depuis plus d'un demi-siècle.
Nous n'allons pas ici donner une description détaillée
du contenu du livre, et moins encore discuter les hypothèses
de l'auteur. Ceci nous demanderait une compétence que, nul
n'en ignore, nous n'avons pas. On se bornera à signaler les
éléments présentant selon nous un intérêt
qui dépasse celui de la physique théorique. C'est
notamment le cas de la première partie de l'ouvrage, intitulée
Points de départ. Mais il sera également intéressant
de suivre dans certains des chapitres constituant le corps de l'ouvrage,
notamment lorsqu'il rapproche la théorie des cordes de celle
de la gravitation quantique en lacets, et lorsqu'il examine les
perspective à court terme de ces recherches.
Points de départ
Ces points de départ (nous dirions plutôt repères),
pour Lee Smolin, ne sont pas des acquis de la science servant
de base aux développements de la GG. Ce sont des principes
ou postulats inspirés à l'auteur par ses travaux
sur cette dernière, qui doivent nous servir d'arrière-plan
paradigmatique pour comprendre les développements plus
techniques constituant le reste du livre. Que sont-ils?
Il n'existe pas d'espace ou de temps absolus
Un premier repère consiste, pour Lee Smolin,
à rappeler que pour les physiciens, comme pour les scientifiques
en général, il n'existe rien en dehors de l'univers,
qui puisse être utilisé d'une quelconque façon
pour expliquer ses origines, son avenir ou son fonctionnement. L'univers
est un système clos. Toute chose ou entité intérieure
à lui ne peut être définie, en position, en
vitesse ou autrement, que par rapport à d'autres entités
également intérieures à lui. Ceci exclut par
conséquent l'hypothèse d'un espace ou d'un temps "
absolus " (ceux de Newton) dans lesquels l'univers serait situé.
Smolin compare l'espace à une phrase. Celle-ci n'a de sens
que par les mots qu'elle contient. Elle n'existe pas sans eux. Elle
adopte la forme géométrique que les mots lui confèrent.
On en déduit qu'il serait absurde de parler d'un univers
qui ne contiendrait rien.
Dans cette façon de voir le monde, celui-ci
n'est pas autre chose qu'un réseau évolutif de relations.
Il en est de même de chaque chose. Les choses ne sont pas
des absolus, qui puissent se définir par rapport à
un cadre extérieur fixe, mais elles-mêmes des nœuds
relationnels.
Lee Smolin est un grand lecteur de Leibniz. Celui-ci
a eu, nous rappelle-t-il, le mérite de s'opposer à
l'espace absolu de Darwin, qu'il jugeait illogique. Il a soutenu
une conception relationnelle de l'univers, reprise par Mach à
la fin du 19e siècle. Mais la science de l'époque
n'avait pas le recul suffisant pour refuser l'absolu du temps et
de l'espace, qui convenait bien pour illustrer l'idée alors
prédominante d'une divinité située au-dessus
du monde sensible.
La RG fut la première théorie scientifique
à décrire le monde comme composé de relations
entre particules de matière soumises au champ gravitationnel.
Les points de l'espace n'y ont pas d'existence en eux-mêmes,
mais seulement comme intersection entre lignes de ce champ. Ces
lignes évoluent avec le temps et ne peuvent donc fournir
de références absolues.
Il en est de même du temps. Il n'y a pas
d'horloge universelle pour le mesurer. Là encore le temps
se décrit en termes de changements dans le réseau
des relations qui composent l'espace. Tout ce dont on parle est
donc indépendant d'un arrière-plan (il s'agit de la
propriété dite de la background independance). Cette
propriété explique pourquoi il fut long d'établir
une théorie de la GQ à partir de la RG : comment y
parler de points si ceux-ci ne peuvent pas y être identifiés
de manière absolue, mais seulement par référence
à un réseau de relations ?
NB : nous proposons
d'appliquer, toutes proportions gardées, ces considérations
et les suivantes à la description de l'"univers" macroscopique
décrit par les sciences humaines (voir
article). La démarche sera jugée hasardeuse sur
le plan scientifique, mais nous pensons néanmoins qu'elle
pourrait présenter de l'intérêt.
Le statut de l'observateur
Le deuxième repère proposé
par le livre concerne le statut de l'observateur. Selon la nouvelle
GQ, il ne sera plus possible de distinguer l'observateur de l'observé.
L'observateur ne disposera jamais de toute l'information nécessaire
pour décider du vrai ou du faux.
Lee Smolin insiste sur le fait qu'il faut abandonner
le préjugé scientifique selon lequel la science ne
peut prétendre à l'objectivité qu'en ne prenant
pas en compte l'observateur. Celui-ci, selon ce préjugé,
doit s'exclure du système observé afin de ne pas le
contaminer. Mais la démarche devient impossible quand ce
système est l'univers entier. C'est là, selon Smolin,
une des grandes difficultés de la GQ. On sait que tout observateur,
où qu'il soit dans l'univers, ne peut rien voir de celui-ci
au-delà de ce qui parvient dans son cône de lumière,
défini par le temps que met la lumière pour l'atteindre.
Il en résulte que la logique classique, selon laquelle une
chose est vraie ou fausse, n'est plus applicable. Un observateur
donné peut prouver que tel événement de l'univers
est vrai alors qu'un autre observateur, n'étant pas informé
de la même façon, ne le peut pas. On parle alors d'une
logique "cosmologique" ou dépendante de l'observateur, formalisé
sous le nom de Topos Theory, notamment par Christopher Isham. Il
s'agit de raisonner avec une information incomplète, l'action
que l'on entreprend pouvant influencer le vrai ou le faux du jugement
que l'on porte sur le monde.
Dans ces conditions, selon Smolin, la rationalité
d'un jugement ou d'une décision ne dépendra pas de
la référence que l'on pourra faire à ce qu'un
observateur extérieur au monde, qui verrait tout, pourrait
en dire, non plus qu'à telle ou telle éthique prétendument
inspirée par lui. Le seul jugement acceptable sera celui
qui résultera du rapprochement du point de vue de nombreux
observateurs ayant du monde une perception différente, et
tentant d'en déduire une conception commune.
Un monde unique mais des observateurs
différents.
Le troisième repère proposé
est relatif à la façon dont la science doit se reconvertir
pour tenir compte du fait que l'observateur est intérieur
au système observé, chaque observateur ayant une vue
limitée du système et différents observateurs
ayant sur celui-ci des informations différentes. Le problème
intéresse en premier lieu la GQ. Celle-ci pour progresser
doit appliquer la MQ à l'univers entier, alors que cette
dernière ne concernait initialement que les systèmes
particulaires. Il s'agit essentiellement d'étudier les systèmes
macroscopiques en tenant compte du principe de superposition et
de la relation d'incertitude, fondements indiscutés de la
MQ. On ne peut connaître complètement l'état
d'un système, quand cet état résulte de la
superposition de deux états, mesurant par exemple l'un sa
position et l'autre sa vitesse. Dans ces conditions l'état
mesuré du système décrit soit sa position,
soit sa vitesse, mais non les deux. Ceci veut dire, en termes plus
philosophiques, que dans de tels cas, on renonce à connaître
l'état du système en soi. (l'état superposé
du système). On ne le décrit qu'à partir des
informations que l'on peut obtenir sur lui, nécessairement
partielles. Lorsque l'observateur est inclus dans la description
du système, l'incertitude s'étend à lui, comme
à tous ceux qui utilisent le modèle de description
utilisé. Il y a corrélation dans la superposition
de tous les états quantiques, tant de l'observé que
des observateurs.
Cette superposition et l'incertitude qui en découle
s'étendent-elles à l'univers entier ? Oui répond
selon Smolin la "cosmologie quantique conventionnelle". Mais quel
sens donner alors au fait que l'univers macroscopique dans lequel
nous vivons ne nous apparaisse pas en état de superposition
? Plusieurs théories ont été élaborées
pour résoudre le paradoxe, dont celle dite de la décohérence.
Si nous percevons l'univers d'une certaine façon et non autrement,
c'est parce que nous lui posons des questions particulières
qui éliminent les autres solutions théoriquement possibles.
Plus précisément les questions posées doivent
éliminer la possibilité de réponses en superposition
(consistent history formulation). On a présenté ceci
autrement en disant que le monde exprimable en termes quantiques
est unique. Mais ce monde unique comporte des histoires différentes,
également consistantes, qui seront produites par des jeux
de questions appropriées.
Du fait cependant que tout ceci est encore en débat,
Lee Smolin nous propose une conclusion d'attente utilisable dans
la description du monde en termes quantiques. On peut élaborer
de nombreuses descriptions quantiques d'un même univers. Chacune
d'elle dépendra de la façon dont on divisera l'univers
en deux parts, l'une contenant l'observateur et l'autre ce que l'observateur
souhaite décrire. Chaque théorie formulera en termes
quantiques ce que tel observateur particulier verra dans la partie
de l'univers qu'il a décidé d'étudier. Toutes
ces descriptions seront différentes, mais elles devront être
cohérentes ou consistantes entre elles. Les parties observées
peuvent être en état de superposition, mais chaque
observateur ne se décrit pas lui-même en état
de superposition, car sa description l'exclut.
On exprimera ceci en disant qu'il existe un univers
unique vu par différents observateurs plutôt que des
univers différents vus par un seul observateur prétendument
placé en dehors du système.
L'univers est fait de processus
et non de choses
La quatrième repère proposé
par Lee Smolin paraîtra sans doute moins abstrait que le précédent.
Dans le monde macroscopique, si à la rigueur on peut décrire
les objets inanimés comme tels, on ne peut le faire des personnes.
Ce sont les événements qui font leur histoire, histoires
qui peuvent seules les décrire. En fait, cette constatation
s'applique aux objets inanimés eux-mêmes. On distinguera
les objets et les êtres vivants par le fait que les processus
qui les animent sont lents pour les premiers et rapides pour les
seconds. Or la science classique considère que la science
doit étudier des objets aussi fixes que possible. S'ils sont
en mouvement, on essaiera de les décrire par des séries
d'observations restituant l'impression d'immobilité. Cette
démarche n'est pas acceptable, ni en RG ni en MQ. L'une et
l'autre insistent sur le fait que le monde n'est pas fait d'objets
mais de processus. Le mouvement et le changement sont les premières
réalités à prendre en considération,
dès que l'on veut sortir des illusions pour atteindre au
fondamental. Il convient donc d'apprendre un langage qui privilégie
le mouvement à l'immobilité.
On dira en ce cas que l'univers consiste en un
tissu d'événements. L'événement n'est
pas un changement touchant un objet statique. C'est un changement
et rien de plus. Un univers d'événements est dit un
univers relationnel. Ses propriétés dont décrites
en termes de relations entre événements. La relation
la plus courante est la relation de causalité, la même
causalité qui permet de relier une série d'événements
au sein d'une "histoire". Dans un tel monde, le temps n'est pas
situé ailleurs. Le temps et la causalité sont synonymes.
On ne peut pas décrire en soi un univers de causalités.
On ne peut le décrire qu'en racontant son histoire. Un univers
causal ou relationnel peut être analysé comme fait
de transports d'informations. Chaque événement peut
être considéré comme un transistor qui reçoit
de l'information d'un événement précédent,
la calcule et la renvoie vers des événements de son
futur. L'univers entier sera dans ce cas comparable à un
ordinateur, sauf que ses circuits seront évolutifs en fonction
de l'information qui y circulera.
La notion d'univers causal n'est pas étrangère
à la RG. Celle-ci considère exactement l'univers comme
un univers causal ou relationnel. Rien ne pouvant y voyager plus
vite que la lumière, les rayons lumineux émis par
un événement définissent les limites extérieures
de l'avenir de cet événement. C'est le cône
de lumière d'un événement. Les objets massifs
courbent les cônes de lumière dans leur voisinage…
Mais la notion de structure causale de l'univers
ne précise pas le nombre et la nature des événements.
Si c'était le cas, on saurait tout de l'univers depuis son
origine. Pour aller plus loin, on peut faire l'hypothèse
que l'apparente continuité de l'espace et du temps sont des
illusions. La GQ suggère que l'histoire de l'univers est
faite d'un très grand nombre de petits événements
élémentaires discrets. Pour les trouver, il faut descendre
à l'échelle de Planck, là où les effets
de la gravité et ceux de la mécanique quantique s'équivalent.
L'échelle de Planck est établie en s'appuyant sur
les constantes élémentaires de la physique, la constante
de Planck (MQ), la vitesse de la lumière (relativité
restreinte) et la constante gravitationnelle (Newton). Ces échelles,
nous rappelle Lee Smolin, sont incroyablement petites. Un clin d'œil
prend autant d'unités de temps fondamental que le Mont Everest
a d'atomes. On parle aussi de la température de Planck, si
élevée que les structures de la géométrie
de l'espace y fondent.
Tout ceci montre que notre connaissance de l'univers
est encore infime au regard de ces "réalités premières".
Nous en savons autant, dit Smolin, qu'un pingouin en sait du mécanisme
de la bombe atomique. Notre monde tel qu'il nous apparaît
est en tous cas incroyablement gros, lent et froid au regard de
l'univers fondamental. Les particules élémentaires
ne sont pas des objets mais des processus se déroulant aux
échelles de Planck.
Après avoir posé ces quatre repères
préalables, l'auteur va nous entraîner au cœur
de ce que propose la GQ relativement à l'univers. Il précisera
ensuite ce qui selon lui reste à découvrir, et les
voies pour y arriver. Nous renverrons les lecteurs intéressés
au livre, nous bornant à signaler ici quelques points particulièrement
intéressants pour les non-spécialiste.
Théorie des cordes et Gravité
quantique en lacets
Les trous noirs (p. 70 et suiv.)
Les trous noirs, dans ce livre comme dans le précédent,
sont présentés comme jouant un rôle essentiel.
Des centaines de gens travaillent sur eux. Bien que, par définition,
aucun d'eux ne soient visibles, on soupçonne que leur nombre,
simplement dans notre galaxie, dépasse les centaines de millions
(soit probablement des milliards de milliards pour l'univers entier).
Il existerait par ailleurs, au centre de notre galaxie (comme sans
doute de toutes les galaxies) un trou noir gigantesque représentant
plusieurs millions de masses solaires. Pour les physiciens, nous
indique Lee Smolin, ils auront un autre intérêt, se
comporter comme des microscopes d'un très grand pouvoir de
résolution permettant de voir ce qui se passe aux échelles
de Planck. Un microscope ordinaire ne permet pas de voir les objets
plus petits que la longueur d'onde de la lumière utilisée.
Mais les événements survenant à la limite de
l'horizon d'un trou noir (avant d'être absorbés par
lui et disparaître dans ses "parties cachées") sont
agrandis du fait que la lumière qui nous en parvient voit
sa longueur d'onde étirée par la proximité
du trou noir. Ce phénomène n'a pas encore eu d'applications
pratiques, mais Lee Smolin pense que prochainement, des prédictions
faites à ce sujet pourront être vérifiées.
Quoi qu'il en soit, on voit comment des objets
aussi exotiques pour le sens commun que les trous noirs deviennent
dans ces hypothèses les briques indispensables à notre
description de l'univers, des compagnons familiers si l'on peut
dire, de la physique moderne - alors que tout voyageur qui franchirait
l'horizon d'un tel objet disparaîtra à jamais pour
nous. Ce qui est plus étonnant encore est de voir comment,
par éducation progressive, chacun s'habitue à ces
hypothèses, corollaires de celles concernant l'univers lui-même,
ou les univers multiples.
Les chapitres suivants introduisent, avec la notion
d'un observateur en accélération dans l'espace cosmique,
à l'approche quantique des trous noirs. Deux lois "simples"
nous sont présentées, suite aux travaux de jeunes
physiciens disciples deWheeler, considéré comme l'inventeur
du concept de trou noir : celle de Unruh "des observateurs en accélération
constatent qu'ils sont entourés d'un nuage de photons chauds
dont la température est proportionnelle à l'accélération"
et celle de Bekenstein "à chaque horizon qui sépare
un observateur d'une région qui lui demeure cachée,
on peut associer une entropie qui mesure la quantité d'information
cachée derrière l'horizon. Cette entropie est toujours
proportionnelle à la surface de l'horizon". Ceci est intéressant
dans la mesure où les trous noirs sont présentés
comme des puits d'information, dont on pourra se demander ce qu'elle
devient, une fois de l'autre côté de l'horizon du trou
noir.
Cordes et champs (p. 106
et suiv.).
Lee Smolin minimise manifestement la compétition
qui oppose, dans la nouvelle physique, les théoriciens des
cordes et ceux de la gravité quantique en lacets (GQL) laquelle
exploite le concept des champs. La, ou plutôt les théories
des cordes, car il y en eut plusieurs, remontent à plus de
trente ans. Leur histoire a été souvent décrite.
Moins connue est celle, plus récente, de la GQL, dont Lee
Smolin fut un des acteurs influents. Le livre consacre donc beaucoup
de pages à décrire le chemin tortueux et les difficultés
rencontrées dans l'émergence de la GQL. Il s'agit
là de confidences très intéressantes, à
comparer avec les carnets dans lesquels Albert Einstein avait confié
ses propres hésitations et difficultés. Ceci dit,
il nous explique aussi clairement que possible les différences
entre Théorie des cordes et GQL . Résumons très
sommairement.
Il convient de partir du fait que les quarks, considérés
jusqu'aux années 1970 comme les constituants ultimes des
protons et neutrons, apparaissent toujours comme indissociables.
Tout se passe comme si une corde les liait entre eux, susceptible
de s'étendre mais non de se rompre. En quoi consiste cette
corde ? Elle se comporte comme une ligne de flux magnétique
dans un superconducteur. On peut en déduire que l'espace
vide est un superconducteur pour les flux chromo-électriques
de la chromodynamique quantique (ce nom car celle-ci analyse différents
types de quarks baptisés de noms de couleurs).
Mais à ce stade, il faut se demander quel
est le constituant ultime. Est-ce le champ chromo-électrique
? Dans ce cas on étudie les cordes étendues entre
les quarks comme les conséquences d'un espace ayant les propriétés
d'un super-conducteur. C'est la question que se posent les physiciens
qui travaillent sur la chromodynamique quantique : pourquoi l'espace
vide a-t-il des propriétés telles qu'il se comporte
comme un superconducteur ? Sont-ce au contraire les cordes ? Dans
ce cas les lignes du champ n'en donnent qu'une vue approximative.
Dans la suite du livre, l'auteur rappelle que pour la théorie
moderne des cordes, les diverses particules correspondent à
des formes adoptées par les cordes lorsqu'elles sont soumises
à un certain nombre de flux. La corde serait donc, si l'on
peut dire, la mère des particules. Ceci explique d'ailleurs
pourquoi la théorie des cordes est préférée
à la GQL par les physiciens venus du monde des particules,
car ils peuvent y réintroduire tout ce qu'ils ont appris
depuis 50 ans en travaillant dans les grands accélérateurs.
La troisième possibilité, à
laquelle se rallie Lee Smolin, est que les deux interprétations
doivent être superposées. L'une et l'autre constituent
des façons différentes de regarder la même chose.
Ce point de vue, dit hypothèse dualiste, est celui qui intéresse
le plus de physiciens aujourd'hui. L'hypothèse dualiste ne
doit pas être confondue avec la dualité onde-particule
de la MQ, mais elle réconcilie cependant les deux approches
antagonistes de la physique depuis 150 ans, opposant champs et particules,
opposition indispensable puisqu'il est avéré que les
particules n'interagissent pas directement mais à travers
des champs. Dans cette hypothèse, il devient possible de
considérer que l'espace est quantifié, c'est-à-dire
qu'il n'a pas (non plus d'ailleurs que le temps) de structure continue,
susceptible de division à l'infini. 1)
L'invention de la GQL (p.
127 et suiv.).
Lee Smolin raconte comment il eut l'idée
des lacets (loops) qui donnent leur nom à la GQL et qui sont
finalement, pour celle-ci ,les constituants ultimes de l'univers,
plutôt que les cordes. Lui et ses collègues décidèrent
d'appliquer à la description quantique des cordes dans un
réseau les équations de la relativité générale
(RG) d'Einstein modernisées par un jeune chercheur relativiste
nommé Amitaba Sen. Tout se déroula parfaitement (après
plusieurs années de travail), ce qui permis de réaliser
la synthèse attendue entre la MQ et la RG. Mais dans cette
approche, on voit que la théorie de la gravitation quantique
découle d'une quantification, si l'on peut dire, de la RG,
quantification postulée précisément par ce
terme de Gravitation quantique. L'avantage de cette solution est
qu'elle fournit des solutions indépendantes d'un espace en
arrière-plan - contrairement à l'ensemble de la physique(excepté
la RG) qui se réfère à tel ou tel type d'espace.
Les lacets, qui peuvent se nouer et se lier (knots, links and kinks)
définissent à eux-seuls une géométrie
dynamique de l'espace-temps, sans avoir besoin d'un cadre de référence
déterminé et non-dynamique.
La théorie des cordes
(p. 146 et suiv.).
Lee Smolin, quoi qu'il en soit, n'est pas très
positif dans l'exposé qu'il fait de la théorie des
cordes. Il rappelle d'abord son histoire longue et mouvementée
(Avant 1995, il y avait 9 théories des cordes, qui commencèrent
à fusionner avec les travaux de Edward Witten, sous le nom
de théorie M). De plus, encore aujourd'hui, elle n'est pas
indépendante d'un espace en arrière-plan, contrairement
à la RG pour qui l'espace-temps n'est qu'un ensemble évolutif
de relations. Enfin et surtout, elle n'a pas encore acquis la forme
d'une théorie définitive, si bien qu'il est difficile
de la qualifier de théorie (2). Ceci n'empêche pas
de devoir prendre au sérieux la théorie des cordes.
Pour elle, les particules n'existent pas. Il n'y a que des cordes,
minuscules objets unidimensionnels faits de rien d'autre. Les différentes
sortes de particules correspondent à des modes différents
de vibrations de ces cordes. Leurs formes, interactions et les phénomènes
en découlant peuvent être ramenées à
des modifications de forme et d'interactions entre ces cordes. Les
liens entre la théorie des cordes et la physique des particules
permettent aux promoteurs de la première d'espérer
pouvoir tester celle-ci à l'occasion des prochains tests
de la supersymétrie (recherche de bosons et fermions associés
par pairs) dans le futur grand accélérateur du CERN
(3) . Pour Lee Smolin, la théorie M, qui devrait unifier
les différentes théories des cordes, représente
un grand espoir, auquel il travaille lui-même. Celle-ci devrait,
selon lui, confirmer l'hypothèse du caractère discret
de l'espace et du temps. Nous ne présenterons pas ici les
justifications de l'hypothèse (voir p. 163 et suiv.)
Notes
(1) On se souviendra que pour Stephen Wolfram, l'espace et le temps
sont discontinus, ce qui permet de simuler les phénomènes
qui s'y déroulent avec des automates cellulaires.
(2) On rappellera que pour les défenseurs de la théorie
des cordes, ces critiques n'enlèvent rien a la validité
de la théorie (voir Brian Greene, The elegant universe, cité
ci-dessous).
(3) Voir sur cette question l'article de Ignatios Antoniadis, directeur
de recherche au CNRS, dan la Recherche n° 343 référencé
ci-dessous : Prouver la théorie des cordes ?
Automates
Intelligents utilise le 
On
se demandera en quoi les travaux d'un physicien théorique
pratiquement inconnu du grand public en France peuvent intéresser
une revue comme la nôtre, et qui plus est mériter
que nous suggérerions (comme nous le faisons en notre
for intérieur) de comparer ce scientifique aux plus
grands de la science occidentale, Newton, Darwin, Einstein
ou Bohr ?
