la gravité quantique





LA GRAVITÉ QUANTIQUE par OMEGAMAN

Lee Smolin :

Lee Smolin et Roberto Mangabeira Unger ont construit un ensemble d’hypothèses constituant une philosophie de la nature1 :

  1. Il n’y a qu’un seul Univers. Il n’y en a pas d’autre ni quoi que ce soit qui lui soit isomorphe.
  2. Tout ce qui est réel est réel à un instant donné, qui est une succession d’instants. Tout ce qui est vrai est vrai à l’instant présent.
  3. Tout ce qui est réel à un instant est un processus de modification menant à l’instant suivant ou au futur. Tout ce qui est réel est donc le résultat d’un processus à l’intérieur duquel il est la cause, ou il implique, les instants futurs.
  4. Les mathématiques sont déduites de l’expérience comme une généralisation de régularités observées où le temps et les particularités sont supprimées.

Carlo Rovelli

 













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gravitation quantique à boucles

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 La gravitation  quantique à boucle

 Abhay Ashtekar

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la gravité quantique à boucle

6- Sur la gravité quantique
Selon Marc Lachièze-Rey, l’invité du précédent numéro de Parole de chercheurs, la gravité quantique sur laquelle travaille Carlo Rovelli entend aller plus loin que la relativité générale et la mécanique quantique, notamment pour dépasser l’opposition entre ces deux théories qui donnent son cadre à la physique d’aujourd’hui.
Au XXe siècle la physique a fait des pas de géant qui ont transformé notre vie, en bien comme en mal (des ordinateurs à la bombe atomique…). Mais c’est aussi notre image du monde qui a changé.

La mécanique quantique décrit tous les petits objets, comme les molécules, les atomes, etc. Elle a changé notre conception de la matière : on ne pense plus la matière comme un ensemble de particules « classiques ». La matière est devenue quelque chose de plus compliqué, c’est en même temps des ondes et des particules.
La relativité générale traite du temps et de l’espace. Einstein a découvert que l’espace est courbe. L’espace, que l’on a toujours décrit, avec la géométrie euclidienne, comme une structure rigide à trois dimensions, peut se plier, faire des mouvements.

Ces deux grandes découvertes sont en contradiction l’une avec l’autre, au moins en apparence, car chacune de ces deux théories est formulée comme si l’autre n’existait pas. La relativité générale ignore l’aspect granulaire (ondulatoire – corpusculaire) mis en évidence par la mécanique quantique qui elle-même est écrite comme si l’espace était plat.
Donc les étudiants des départements de physique vont à des cours de relativité générale le matin et à des cours de mécanique quantique l’après-midi, de telle sorte qu’on leur raconte deux mondes différents, ce qui implique une schizophrénie énorme à la base de notre connaissance du monde. Carlo Rovelli constate qu’on ne peut pas en rester là : il faut trouver un cadre conceptuel dans lequel les conclusions de ces deux théories sont compatibles. Et c’est précisément l’objet de son travail.

Ayant appris d’Einstein que l’espace bouge, et de la mécanique quantique que tout ce qui bouge est granulaire, on peut penser que l’espace a lui-même une structure granulaire. Et donc il faut une théorie qui explique la nature des graines dont est fait l’espace, théorie que Carlo Rovelli tente de mettre au point et qu’il appelle « gravité quantique à boucles ». Il écrit ainsi des équations qui décrivent comment ces graines bougent, comment elles sont liées l’une à l’autre, jusqu’à décrire l’espace-temps lui-même à partir de ce matériau de base.

Carlo Rovelli remarque qu’il n’y a rien de plus difficile que de renouveler notre manière de penser le temps, qui reste pour nous une entité indépendante des choses, qui passe ou qui s’écoule. La gravité quantique à boucles dément cette représentation commune puisque selon elle le temps fait partie intégrante des grains d’espace-temps. C’est une théorie dans laquelle le temps usuel est absent, et qui implique donc de repenser la physique sans la variable temps. C’est une des principales difficultés conceptuelles, et c’est à ce niveau que la science et la philosophie rentrent en dialogue.
Bien sûr il reste beaucoup à faire, mais l’ambition de cette théorie est bien d’unifier les deux grands piliers de la physique théorique du XXe siècle.

7 – Pourquoi la gravité quantique n’a-t-elle pas été testée expérimentalement ?
Parce que c’est difficile, répond Carlo Rovelli. Le fossé entre relativité générale et mécanique quantique provient d’abord d’une différence d’échelle. Il y a des domaines où l’une s’applique et l’autre non, et inversement. C’est donc très difficile de trouver des situations physiques dans lesquelles toutes deux jouent un rôle. Ce sont des situations extrêmes qu’on ne peut pas expérimenter facilement, comme dans le cas de l’intérieur du trou noir où l’énergie est très élevée. Par ailleurs la technologie fait encore défaut pour pouvoir observer les phénomènes en question.

Mais ceci ne veut pas dire que cette théorie ne sera pas testée, d’une part parce que les technologies évoluent, et d’autre part parce qu’à terme les théoriciens doivent pouvoir envisager les conséquences observables de leurs hypothèses. D’ici là bien sûr la gravité quantique restera en concurrence avec d’autres théories, notamment la théorie des cordes, qui est davantage étudiée à l’heure actuelle. Carlo Rovelli juge que cette situation de concurrence et de discussion est positive et même indispensable pour les avancées théoriques. C’est toujours l’expérience qui met fin aux débats…

8 – L’évolution des notions d’espace et de temps
Elles ont n’ont jamais cessé d’évoluer ! Nous nous représentons l’espace comme une boite dans laquelle se trouvent les choses et nous croyons que cette représentation est naturelle, mais en réalité elle est due à Newton. Avant lui, des Grecs jusqu’à Descartes, l’idée dominante de l’espace était tout autre : on pensait qu’il n’y avait pas d’espace indépendamment des objets. Pour Aristote comme pour Descartes, l’espace se définissait comme la structure qui organise les objets entre eux, comme une relation entre les objets qui constituent la réalité. Newton a refusé cette conception, en disant que si on supprime les objets, la matière, il reste quelque chose : l’espace. Avant Aristote, Anaximandre avait déjà provoqué un changement de représentation en indiquant que l’espace n’est pas constitué du haut et du bas, que ces notions de haut et de bas sont relatives à la position d’un observateur. Bref, nos conceptions sont en constante évolution.

Que s’est-il passé au XXe siècle ? Il y a comme un retour à une notion d’espace pré-newtonienne. Einstein défend l’idée que si on supprime le champ gravitationnel, c’est-à-dire l’espace, il ne reste rien. L’espace est à nouveau conçu comme l’ensemble des objets, des particules ou des champs.

L’espace et le temps étant des objets de réflexion philosophique par excellence, on peut se demander quel est le rôle de la philosophie des sciences dans l’évolution des notions de base de la physique. Carlo Rovelli soutient que la séparation entre les disciplines est très forte, et qu’elle est dommageable. Science et philosophie ont longtemps été très proches et leur dialogue s’est poursuivi continuellement malgré leur différence de méthode. Les grands scientifiques du passé, comme Aristote, Galilée, Descartes ou Newton étaient des philosophes, et de même des grands scientifiques modernes étaient philosophes ou en tout cas ils étaient nourris de philosophie (Carlo Rovelli mentionne Poincarré, Einstein, Eisenberg). Mais à partir des années 1930, ce dialogue entre les sciences fondamentales et la philosophie se brise, essentiellement parce qu’après la révolution conceptuelle du début du siècle, la science tente désormais d’appliquer les découvertes théoriques. Son cadre théorique ayant été posé, la physique devient plus pragmatique et n’a plus besoin d’un apport philosophique. Il y a également une raison purement historique à cela : la deuxième guerre mondiale a contraint les physiciens à s’exiler aux États-Unis où cette approche pragmatique était de toute façon dominante à l’époque.

Aujourd’hui, 60 ans après cette période, ce programme d’application étant arrivé en bout de course, on retrouve des problèmes de physique fondamentale, et le questionnement sur les notions de temps et d’espace est à nouveau ouvert. Il s’agit de redessiner le monde, et pour cela la pensée philosophique est indispensable, car ce sont les philosophes qui sont capables d’avoir la précision de pensée requise et d’apporter aux scientifiques les innovations dont ils ont besoin.

De son côté la philosophie recommence à s’intéresser aux sciences fondamentales. L’illusion positiviste d’une science infaillible et toute puissante qui apporterait le progrès est tombée. Les philosophes ont dû convenir que Newton s’était trompé, que sa description de l’espace n’était pas définitive, ce qui les a conduits à interroger de manière critique le statut de la vérité et des pratiques scientifiques. Une nouvelle conception de la science a émergé, que Carlo Rovelli reprend à son compte : la science n’est pas une somme de vérités absolues, la science est le processus qui consiste à tenter de décrire le monde de la manière la plus efficace possible à la lumière de tout ce que l’on sait. Elle se caractérise par sa capacité à toujours remettre en question ses propres conclusions. En ce sens les vérités scientifiques sont toujours provisoires, elles caractérisent une représentation du monde qui elle même caractérise une époque. La base de la science n’est pas la certitude mais au contraire l’incertitude, la conscience du fait qu’on se trompe toujours et qu’on vit dans l’ignorance et qu’il faut être prêt à abandonner ses idées. D’ailleurs l’obstacle au progrès scientifique est bien souvent l’attachement à des idées qui devraient être rejetées.

Toutes ces considérations relèvent de la philosophie des sciences, et Carlo Rovelli pense qu’elles sont nécessaires et utiles pour les scientifiques qui, comme lui, ont à renouveler leur cadre de pensée. Le dialogue qu’il a pu entretenir avec les philosophes des sciences de Pittsburgh lui a notamment été très profitable. La science a besoin de la philosophie pour progresser, et la philosophie ne peut pas ignorer la science sans se couper d’un savoir immense qui fait notre civilisation.

Pour Carlo Rovelli, la réflexion épistémologique doit accompagner la pratique scientifique, elle ne doit pas se contenter de reconstruire a posteriori le travail qui conduit aux découvertes. En effet tout scientifique faisant usage de présupposés méthodologiques et épistémologiques, il est préférable qu’il en soit conscient. Carlo Rovelli soutient ainsi qu’une grande partie de la physique théorique actuelle est mauvaise parce qu’elle subit l’influence d’une philosophie de la science très répandue qui dit que chaque théorie qui invente quelque chose de neuf procède d’un changement global de vision du monde. On a là un exemple de mauvaise philosophie de la science qui a un effet néfaste sur la recherche scientifique, parce qu’elle pousse à travailler sur des hypothèses coupées du savoir actuel. La connaissance avance sur la base de ce qu’on sait déjà. C’est en regardant en profondeur la mécanique quantique et la relativité générale qu’on trouve une manière de les penser ensemble. De même Copernic ne s’est pas réveillé un matin en se disant « la terre n’est pas le centre du monde, c’est le soleil… », non, il a étudié Ptolémée à fond, dans le détail, et c’est dans cette théorie qu’il a trouvé les indices lui permettant de penser que si on changeait de point de vue ça marcherait mieux.

Les idées ne tombent donc pas du ciel, et les scientifiques ont besoin d’une culture philosophique qui ne soit pas seulement superficielle. Bien sûr le scientifique ne sera jamais un philosophe, ni le philosophe un scientifique, mais tous deux doivent se parler pour faire leur métier…

9 – « Tous les scientifiques sérieux sont poppériens »
Dans le premier numéro de Paroles de chercheurs, Etienne Klein affirmait que tous les scientifiques contemporains sont poppériens. Carlo Rovelli précise : c’est vrai, si l’on parle des scientifiques sérieux. L’idée de Popper est en effet que pour être scientifique, une théorie doit être falsifiable, c’est-à-dire qu’il doit être possible de faire une expérience qui prouve que la théorie est fausse. Ce n’est pas le dernier mot possible sur la science évidemment, mais c’est un critère fondamental, qui permet de séparer ce qui est intéressant de ce qui ne l’est pas. Aujourd’hui encore on perd beaucoup de temps à étudier des théories qui, d’après ce critère poppérien, ne sont pas scientifiques, ce qui est déplorable. En effet si une théorie n’est pas falsifiable, elle ne nous dit rien sur le monde ; elle peut être en accord avec n’importe quelle expérience future, et elle ne permet donc aucune prédiction déterminée. Or la prédictivité est ce qui caractérise la science. La grande découverte de l’humanité c’est que c’est possible de prédire le futur. L’efficacité d’une théorie se mesure à sa puissance de prédiction.

Certains scientifiques s’éloignent de cette conception, ce que regrette Carlo Rovelli. Pour lui, la conscience de notre ignorance, du caractère irrémédiablement limité de notre savoir est au cœur de la démarche scientifique. C’est cette conscience nous rend capables de changer notre regard sur le monde. Quand Einstein a remis en cause Newton, personne n’a vu en lui un sceptique qui oeuvrait contre la science. Au contraire, Einstein a été perçu comme un grand scientifique, capable de nier une vérité scientifique qui le précédait. La vérité à l’intérieur de la science n’est pas à concevoir comme une parole définitive sur le monde, mais au contraire comme un état de perfection relative : le maximum qu’on puisse savoir sur le monde dans l’état actuel de nos connaissances, qui sont toujours imparfaites, et donc perfectibles.

10 – A propos de la « résistance » aux idées nouvelles qu’engendre le discours scientifique
L’idée d’une « résistance » que l’individu ou la société opposent à un discours trouve généralement sa place dans les études psychanalytiques ou psychologiques, mais Carlo Rovelli n’hésite pas à l’employer pour désigner l’opposition que rencontrent les discours scientifiques novateurs.

Pour Carlo Rovelli, le discours scientifique est par essence subversif. Dans toute institution humaine on retrouve une tendance conservatrice qui veut préserver les structures existantes pour éviter le chaos, et une tendance innovatrice, qui est nécessaire et sans laquelle nous en serions encore, par exemple à adorer les pharaons. Ces deux tendances se retrouvent dans la science, mais celle-ci n’existe qu’en vertu de son pouvoir d’innovation. La science met en discussion, doute, remet en question les croyances. Et donc chaque fois qu’un scientifique impose une description du monde très différente de celle qui est dominante, il se heurte à un mécanisme de résistance, à une peur de la nouveauté. Dans un premier temps, c’est difficile de penser que la terre est ronde, ou que nous avons des ancêtres en commun avec la coccinelle…

La résistance vient toujours de ceux qui ont peur de la nouveauté ou qui pensent que la vérité a déjà été trouvée, et qu’ils en sont les dépositaires. La guerre entre la science et cette partie de la civilisation a toujours reposé sur ce conflit, et ce n’est pas terminé. La science continue à se heurter à ce conservatisme, à cette position de pouvoir acquis, car la connaissance est pouvoir, comme l’ont découvert les Grecs : le pouvoir revient à celui qui détient la connaissance, et celui qui remet en cause cette connaissance remet par là même en cause son pouvoir…Toutes les difficultés de la science avec l’Église viennent de là, car l’Église pense être dépositaire d’un savoir absolu, tandis que l’idée même d’un savoir absolu est contradictoire avec l’idée de la vérité scientifique comme démarche. Or il y a de nombreux pays où le conflit entre science et religion est très fortement réactivé, comme aux États-Unis, où certains États on interdit l’enseignement du darwinisme. La France n’est pas totalement épargnée non plus par cette vague anti-scientiste.
Carlo Rovelli juge cette tendance dangereuse et sans fondement, car elle s’en prend à une science qui appartient au passé, qui a fait toutes sortes d’erreurs et qui était en effet présomptueuse, mais qui ne correspond plus aux pratiques actuelles.

La science est souvent attaquée du point de vue du relativisme absolu, qui, partant du constat que les théories changent, que toutes les théories en ce sens sont fausses, déclare que chacun peut choisir sa propre vérité et que toutes les vérités se valent. La pensée scientifique est à l’extrême opposé d’une telle conception. Aucune vérité n’est absolue, tout peut être mis en discussion, mais précisément, à l’issue d’une telle discussion entre personnes raisonnables, l’expérience a prouvé que le débat produit un accord. Toutes les conclusions ne se valent pas, et si les protagonistes du dialogue veulent véritablement produire de la clarté, ils y parviennent. C’est cela la force de la science, comme le prouve le fait que tous les grands débats scientifiques ont été tranchés. En ce sens, il faut croire en un monde où le dialogue est plus important que la détention du pouvoir.

11 – Comment rendre la physique moderne intelligible pour le grand public ?
La physique moderne semble s’être tellement éloignée de notre perception naturelle ou intuitive de la réalité qu’on peut se demander si elle n’est pas désormais réservée aux scientifiques. N’est-elle pas condamnée à n’être plus que théorique et jamais vécue ou éprouvée, dès lors qu’elle parle d’univers à 11 dimensions par exemple ?

Pour Carlo Rovelli ce n’est qu’une question de temps, et le décalage entre la théorie et nos représentations courantes du monde n’est pas nouveau. On le retrouve tout au long de l’histoire des sciences. Il est difficile pour nous de penser que l’espace est courbe, tout comme il était difficile aux contemporains de Galilée d’imaginer que le sol sur lequel ils marchaient n’était pas fixe mais en mouvement. Cette vérité est très contre-intuitive, mais elle a fini par s’imposer mondialement, avec le temps. Il a fallu un siècle ou deux pour que notre image du monde soit redessinée. La mécanique quantique nous a décrit un monde que nous n’avons pas encore bien compris, dont nous n’avons pas encore une intuition claire, mais si elle continue à être confirmée, à force de l’utiliser, nous nous l’approprierons lentement. Même chose pour l’espace courbe de la relativité générale : Carlo Rovelli va même jusqu’à affirmer que pour lui désormais c’est l’espace « plat » de la représentation commune qui est devenu contre-intuitif.

Reste que la spécialisation à outrance des chercheurs et la mathématisation extrêmement complexe de leurs travaux risquent de priver les discours scientifiques de leur capacité de circulation et de diffusion, y compris au sein de la communauté scientifique. Carlo Rovelli reconnaît ce problème : les scientifiques ne travaillent pas pour eux-mêmes ; ils sont payés par la société, et ils ont un devoir de rendre compte. C’est la raison pour laquelle il serait bon d’encourager la communication avec le public. Par contre à l’intérieur du monde scientifique, en dépit de la spécialisation, la communication est possible et elle a lieu, y compris entre scientifiques qui ont des objets d’étude très différents. Il y a des chercheurs qui sont capables d’avoir une opinion sérieuse et fondée sur des problèmes relevant de domaines différents, il y a une cohérence et un discours commun.

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