mai 2003
présentation par Jean-Paul Baquiast et Christophe Jacquemin

Faster than the speed of light

Faster than the speed of light Joao Magueijo Perseus décembre 20022

Joao Magueijo est professeur de physique théorique au célèbre Imperial College de Londres, où il a été pendant 3 ans un Royal Society Research Fellow, ce qui lui a donné, explique-t-il dans son livre, une grande liberté dans le choix de ses sujets de recherche. Il a été également " visiting scientist " à l'université de Californie à Berkeley et à Princeton. Il a passé son doctorat de physique théorique à l'Université de Cambridge. Il est de nationalité portugaise. Pour en savoir plus Joan Magueijo. - Page personnelle : http://theory.ic.ac.uk/~magueijo/ - Commentaires sur le livre : http://www.complete-review.com/reviews/physics/magueijo.htm

Joao Magueijo est un jeune homme (un jeune trentenaire), à la fois fort doué et fort habile. Il a dès le début orienté ses études vers la physique, et vers la forme la plus ingrate de celle-ci puisqu'elle est rarement sanctionnée par l'expérience, la physique théorique cosmologique. A l'en croire, dans cette voie, les mathématiques les plus pointues ne l'ont pas effrayé, non plus que les voyages et expatriations fort nombreuses à la recherche des meilleurs enseignements et meilleurs tuteurs.

Il est également doué parce que, dans le cercle par définition relativement étroit des physiciens théoriciens, il a choisi non pas d'emboîter les pas de ses collègues, mais de risquer sa carrière en s'attaquant aux bases de la physique jusqu'aux années 1990, soit la constante de la vitesse de la lumière et l'univers inflationnaire.

Mais Joao Magueijo est aussi un jeune homme fort habile. Bien que d'origine et de culture latine, il a su utiliser au mieux, sans renoncer à aucune de ses idées, les rites austères et souvent conservateurs de l'establishment scientifique britannique. Par la suite, il a eu le talent de vaincre l'hostilité des grandes revues scientifiques confrontées à ses idées révolutionnaires. Enfin, le succès et un début de reconnaissance sociale venue, il a eu le bon goût d'écrire un livre de vulgarisation cultivée (popular science) doublé d'un pamphlet sociologique qui l'a fait connaître très largement, hors du cercle étroit de la physique théorique. Ce livre, Faster than the Speed of Light, que nous présentons ici, lui a suscité autant de lecteurs avides de mieux comprendre les enjeux des débats actuels sur l'univers que d'ennemis vexés de se voir épinglés par plus jeune et plus brillant qu'eux. On ne peut que se féliciter de voir certains jeunes chercheurs prendre le risque de faire connaître dans un langage compréhensible par les non-spécialistes les questions qu'ils se posent et les résultats qu'ils obtiennent. C'est une habitude fréquente dans les cercles anglo-saxons, malheureusement trop ignorée en France.

On lira dans les articles de presse repris par les sites dont nous avons donné ci-dessus les adresses, beaucoup de commentaires qui en disent déjà long à la fois sur le thème du livre et sur l'auteur. Nous ne les reprendrons pas ici.

Il n'est pas utile non plus de reprendre longuement les procès intenté par l'auteur à l'establishment scientifique. La plupart de nos lecteurs connaissent par ailleurs le poids que pèsent les hiérarchies administratives ou les scientifiques chevronnés (les mandarins) quand il s'agit d'empêcher l'émergence d'hypothèses un tant soit peu dérangeantes. Ils n'ignorent pas non plus la lourdeur du processus éditorial imposé par les grandes revues scientifiques, lourdeur particulièrement insupportable quand le peer review est confié précisément aux notables que ces mêmes idées neuves pourraient déranger. Aujourd'hui beaucoup de chercheurs n'hésitent pas à court-circuiter ces revues en faisant circuler sur Internet des pré-rédactions de leurs articles. Est-ce à dire pourtant que le système d'ensemble soit à rejeter totalement, comme le suggère avec insistance Joao Magueijo? Sans doute pas. Le processus d'élaboration scientifique est évidemment pesant et lent, comme d'ailleurs la plupart des processus humains visant à une large autorité sociale. On peut l'améliorer, mais il reste indispensable, semble-t-il, notamment pour détecter à temps les fraudes de toutes sortes dont des chercheurs peu scrupuleux se rendraient coupables si leurs résultats n'étaient pas un tant soit peu contrôlés.

La révolution de la physique

Mais le véritable intérêt du livre n'est pas là. Il est comme nous l'avons dit de nous placer au cœur de la révolution annoncée depuis déjà quelques années par ceux qui s'intéressent au devenir de la physique. Les deux bases de cette matière, enseignées dans tous les manuels et popularisées par tous les média depuis bientôt un siècle, sont en train sinon de s'effondrer, du moins de perdre leur caractère absolu : ils'agit de la relativité tant restreinte (spéciale relativité en anglais) que générale due dès 1905 au génie d'Einstein, et de la mécanique quantique généralisée par l'Ecole de Copenhague dans les premières décennies du siècle dernier (dans la mesure tout au moins où celle-ci ne tenait pas compte du paradigme Einsténien de l'espace-temps).

Ces deux grands ensembles de théories ont donné lieu à un nombre extraordinaire de prédictions qui ont toutes été vérifiées par l'expérience, tant dans le domaine des sciences fondamentales que dans celui de leurs applications technologiques. Mais au fur et à mesure que, dans les dernières années, les instruments d'observation en développement exponentiel (sur le modèle de la loi de Moore en informatique) fournissaient de nouveaux résultats, les physiciens ont de moins en moins bien accepté le fait que la relativité et la mécanique quantique ne puissent fusionner dans une théorie unique, applicable à l'univers dans tous ses états (si l'on peut dire).
En présentant précédemment dans nos colonnes l'ouvrage de Lee Smolin, Three Roads to Quantum Gravity, nous avions rappelé qu'avec la gravitation quantique, les physiciens théoriciens s'efforçaient depuis une vingtaine d'années de proposer une description du monde conciliant relativité et mécanique quantique, aux échelles dites de Planck, c'est-à-dire très en deçà de l'univers aujourd'hui observable. Mais la gravitation quantique ne remettant pas en cause les grandes constantes de l'univers, notamment la vitesse limite de la lumière, se perdait jusqu'ici dans de nombreuses versions que malheureusement l'absence de vérification expérimentale, faute d'instruments adéquats, ne permettait pas de départager.

La première partie du livre de Joao Magueijo expose ces préalables, avec un effort certain de pédagogie permettant de comprendre des concepts qui demeurent encore étrangers à la plupart des gens aujourd'hui(1). Par ailleurs, à propos de la gravitation quantique, il a le mérite de dire franchement ce qui n'apparaît qu'en transparence dans des ouvrages plus prudents. La gravitation quantique se sépare en deux écoles différentes, celle dite des cordes et celle dite de la gravité quantique en lacet (loop quantum gravity, à laquelle appartient Lee Smolin). Selon Joao Magueijo, ces deux écoles ont pris aujourd'hui la forme de sectes s'affrontant impitoyablement, ce qui est toujours curieux pour un observateur moins impliqué. La théorie des cordes, elle-même subdivisée en de nombreuses sous-théories, a su mieux que l'autre se faire connaître et admettre du grand public. Et ceci d'une façon paradoxale puisque, comme déjà rappelée, nul instrument ne peut aujourd'hui observer de cordes ni même d'effets plus globaux découlant de cette théorie. Son seul mérite, selon le jeune physicien, est d'être plus "élégante", c'est-à-dire de se présenter sous la forme d'équations plus harmonieuses que sa rivale(2). Mais, nous explique-t'il, ce n'est pas à cela seulement que l'on peut juger de la pertinence d'une théorie.

Notre auteur, au terme d'un parcours intellectuel qu'il détaille amplement, pose la question de la gravitation quantique d'une toute autre façon. Au risque de se faire durablement déconsidérer par ses pairs, il a eu le courage de s'en prendre à ce véritable dogme de la relativité, la constance de la vitesse de la lumière et le fait que cette vitesse constitue une limite indépassable par tout corps massif, puisque ce corps doit alors développer une énergie infinie. C'est la fameuse équation e=mc². Or cette équation s'est révélée de plus en plus incompatible avec les conséquences de l'hypothèse du Big Bang, admise par tous aujourd'hui. Ainsi, si l'univers, suite au Big Bang, s'était développé dans ses premiers instants au rythme décrit par la théorie, il aurait vite atteint des dimensions telles que ses différentes parties seraient devenues étrangères les unes aux autres. Les photons et autres particules échangés entre ces parties se seraient trouvés enfermés au sein d'horizons(3) définitivement incapables de communiquer. Comment alors expliquer l'homogénéité à grande échelle de l'univers, si aucune force n'avait pu en temps utile le parcourir dans sa totalité ?

Il s'agit d'une des énigmes de la théorie du Big Bang (Big Bang riddles) dont Joao Magueijo donne une description claire. Mais il y en avait d'autres, dont le problème dit de l'univers plat dont nous ne parlerons pas ici. Quoi qu'il en soit, pour résoudre ces énigmes qui alimentaient beaucoup de discussions, le physicien Alan Guth eut l'idée d'introduire vers la fin des années 1970 le concept d'inflation ou d'univers inflationnaire : dans les infimes premiers temps de son existence, l'univers aurait subi une inflation prodigieusement rapide qui lui aurait permis de conserver son homogénéité initiale malgré une taille démesurément accrue.
Joao Magueijo recense en détail les difficultés rencontrées par Alan Guth pour faire admettre ce concept d'inflation, jusqu'au moment où l'inflation devint un des "dogmes" incontournables de la cosmologie. Entre autres énigmes, elle a paru résoudre en effet toutes les difficultés rencontrées par l'hypothèse du Big Bang.

Cependant, Joao Magueijo (ce fut là son génie, quel que soit l'avenir de sa théorie) ne se satisfaisait pas de l'hypothèse inflationnaire, qui lui paraissait inventée de toutes pièces pour respecter un autre dogme, celui de la constance de la vitesse de la lumière. Il lui vint à l'esprit qu'il était beaucoup plus simple de postuler que la lumière pouvait avoir des vitesses variables, bien plus rapides notamment que 300.000 kms/s(4), dans les milieux de très haute énergie rencontrés aux origines de l'univers ou dans d'autres singularités, par exemple au cœur des trous noirs. L'auteur consacre de longs développements, pratiquement la seconde partie de l'ouvrage, à justifier cette théorie, dite par lui de la vitesse variable de la lumière (VSL ou varying speed of light). Il nous décrit en détail les innombrables difficultés qu'il éprouva, à partir de 1997, pour poursuivre l'étude de sa théorie, faire publier des articles à son sujet et recruter des collaborateurs ou collègues capables de se livrer aux innombrables calculs nécessaires pour justifier la thèse face aux virulentes critiques qu'elle suscitait. Il est vrai que la VSL s'attaquait à un très gros morceau, une grande partie de la description de l'univers proposée par Einstein. Dans ce cadre, la relativité se trouvait alors ramenée au statut de cas particulier d'une loi plus générale. C'était le sort que cette même relativité avait fait subir à la mécanique Newtonienne, quatre-vingt-dix ans auparavant.

La double relativité restreinte

Nul ne peut dire encore ce qu'il adviendra de la VSL, faute d'observations capables de la corroborer. Mais Joao Magueijo ne désespère pas de pouvoir faire procéder prochainement à de telles observations, notamment à la suite des travaux qu'il mène désormais en collaboration avec Lee Smolin, le théoricien de la gravitation quantique en lacet. Ceci est une autre histoire que le livre, terminé fin 2002, n'évoque que sommairement. Pour en avoir une idée, il faut se référer aux travaux du physicien italien Giovanni Amelino Camelia, rapportés dans un article de la revue NewScientist, en date du 8 février 2003. L'histoire de ce dernier ressemble étrangement à celle de Joao Magueijo. A partir de travaux réalisés à l'université de Rome La Sapienza(5), Giovanni Amelino Camelia s'était lui aussi attaqué directement à Einstein, dans un article publié en 2001. Il a été suivi par de nombreux collègues et c'est semble-t-il tout l'édifice de la relativité restreinte qui risque aujourd'hui de s'écrouler sous l'effet de ces idées nouvelles. L'hypothèse dite de la "double relativité restreinte" (DSR ou doubly special relativity) s'inscrit directement dans les travaux de la gravitation quantique, laquelle cherche à concilier aux échelles de Planck, nous l'avons vu, relativité et mécanique quantique. Il existe des échelles où l'espace-temps ne peut plus être décrit avec les règles classiques de la relativité, mais commence à se comporter de manière quantique.
N'entrons pas ici dans les détails de l'argumentation. Disons seulement que, pour Giovanni Amelino Camelia, au-delà d'un certain seuil de longueur d'onde de la lumière (c'est-à-dire au-delà d'un certain seuil d'énergie de cette lumière), la mesure de la longueur d'onde peut être réalisée indépendamment du mouvement relatif de l'observateur éventuel. Ceci contredit directement l'assomption de la relativité restreinte selon laquelle la longueur de quelque chose dépend du mouvement affectant l'observateur qui la mesure. Le seuil d'énergie ou de fréquence de la lumière atteint, les mesures que l'on peut faire pour caractériser l'univers deviennent indépendantes de l'observateur, ou invariantes. Ce seuil est celui correspondant aux constantes de Planck. On peut dire qu'alors gravité et mécanique quantique fusionnent dans la gravitation quantique recherchée jusque là sans succès. L'hypothèse de la DSR avancée par Giovanni Amelino Camelia est alors venu opportunément compléter celle de la VSL proposée par Joao Magueijo. Dans les premiers instants de l'univers, les particules avaient de très hautes énergies et de ce fait, la vitesse de la lumière pouvait être plus grande qu'elle ne l'est devenue suite à la dilution de cette énergie résultant de l'expansion de l'univers.

Aujourd'hui, en ce début d'année 2003, Joao Magueijo, Giovanni Amelino Camelia et Lee Smolin(6) collaborent à développer différentes versions de la DSR compatibles avec les exigences de la gravitation quantique mais aussi avec celles de la cosmologie.
De nombreuses conséquences révolutionnaires devraient en découler, une fois levé ce verrou de la vitesse absolue de la lumière posé par Einstein. On pourrait ainsi expliquer l'étonnante accélération de l'expansion de l'univers actuellement observée et attribuée à une hypothétique énergie noire. De même s'expliquerait l'existence de rayons cosmiques (observés récemment par des scientifiques japonais) qui disposeraient d'une énergie supérieure à celle admise par la relativité restreinte.
Dans son ouvrage, Joao Magueijo va plus loin et envisage des perspectives relevant seulement jusqu'ici de la science fiction : voyages extra-galactiques à des vitesses supra-lumineuses, meilleure compréhension de ce qui se passe dans les trous noirs… Il espère proposer aux physiciens praticiens diverses expériences déduites de ces théories qui pourraient en prouver la validité, face à ceux qui refusent encore d'y voir l'aube de cette révolution conceptuelle de la physique attendue sans succès depuis une trentaine d'années.

Tout ceci est bien intéressant, objecteront ceux de nos lecteurs qui se plaignent déjà de la longueur de nos articles, mais pourquoi nous entraîner dans des voies qui n'ont pas grand chose à voir avec la robotique ou la vie artificielle ?
Pour deux raisons.
Chacun d'entre nous a été formé depuis l'enfance à regarder le monde avec les yeux d'Einstein. La science, la science-fiction, la philosophie  ont appris et nous ont appris que l'univers était ainsi et pas autrement. Si le regard change, c'est une véritable révolution copernicienne qui se met en place et personne ne peut l'ignorer, quel que soit son domaine d'activité. Mais on peut espérer aussi de ce changement de regard des effets plus pratiques. Les nouveaux équipements scientifiques, comme le Large Hadron Collider du Cern ou les satellites d'observations de l'espace profond disposeront de moyens d'investigation de plus en plus puissants, nous rapprochant lentement mais sûrement (sauf catastrophe) des conditions de l'univers primordial. Ces instruments ne verront pas tout ce qu'ils pourraient voir si les scientifiques, si l'humanité, ne leur posent pas de questions renouvelées.
La gravitation quantique peut faire hausser les épaules, mais elle modifiera un jour la conception que nous avons des particules quantiques. Or qui dit particules quantiques dit déjà, n'est-ce pas, ordinateur quantique.

Notes
(1) Peut-être l'auteur aurait-il pu cependant éviter de nous présenter Einstein en fermier tentant de maîtriser un troupeau de vaches folles se déplaçant à des vitesses proches de celle de la lumière.
(2) Voir L'univers élégant de Brian Greene. On sait que la théorie des cordes évoque une hypothétique théorie M censée réconcilier les différentes descriptions de la matière fondamentale. Nul ne sait ce que veut dire M. Pour Joao Magueijo, M signifie indubitablement Masturbation.
(3) L'horizon est défini par la distance parcourue par la lumière en un temps donné.
(4) Ou, pour être plus exacts, 299 792 458 m/s (vitesse fixée en 1983 par le Bureau international des poids et mesures).
(5) On observera à cette occasion avec satisfaction le rôle éminent que prennent dans l'actuelle évolution de la physique de jeunes physiciens d'origine européenne, travaillant en Europe, et pas seulement au CERN.
(6) Celui-ci est installé désormais au Perimeter Institute for Theoretical Physics à Waterloo, Canada, un établissement appliquant paraît-il des règles de gestion nouvelles donnant plus d'autonomie aux chercheurs.

Giovanni Amelino Camelia . Are we at the dawn of quantum gravity http://gravity.psu.edu/online/Html/Seminars/Fall1999/...
Voir aussi article http://arxiv.org/abs/gr-qc/0210063 (réservé aux spécialistes)
Perimeter Institute for Theoretical Physics http://www.perimeterinstitute.com/,
http://perimeterinstitute.ca/about/ et http://www.phys.lsu.edu/mog/mog19/node7.html

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