Multiplier les théories… raisonnablement

dossier
la physique du xxie siècle
Multiplier les théories…
raisonnablement
Quelles leçons tirer des avancées en
physique de ces dernières années ? La réalité
expérimentale qui s’impose à nous, parfois
brutalement, invite à réfléchir à la pluralité
des voies explorées.
I
par Aurélien Barrau, professeur
à l’université Joseph-Fourier, chercheur au
laboratoire de physique subatomique et
cosmologie de Grenoble du CNRS, membre
de l’Institut universitaire de France.
78 • La Recherche | juillet-août 2012 • nº 466
l est toujours hasardeux – voire
dangereux – de tenter de tirer les
conclusions ou les leçons d’une
histoire qui n’est pas achevée. Or,
l’histoire de la physique du « XXe
siècle » n’est évidemment pas terminée.
Entendons par là l’histoire de la mécanique quantique, et de ses ramifications
vers la physique des particules élémentaires d’une part, et celle de la relativité
générale, et de ses ramifications vers la
cosmologie, d’autre part. Les immenses
questions soulevées par ces nouvelles
voies d’investigation sont, en grande
partie, toujours ouvertes. Certes, des
résultats décisifs devraient être obtenus dans les années à venir, mais faut-il
attendre un dénouement ultime pour
tenter d’y voir plus clair ?
Rapport à la diversité. Ce serait sans
doute doublement regrettable : d’abord
parce qu’une telle issue est vraisemblablement lointaine, à supposer qu’elle
se produise, et, surtout, parce que la
science acquise et admise – comme
ossifiée – n’est déjà plus réellement de
la science en tant que pensée du doute
et de la déconstruction. Il est donc raisonnable de s’interroger sur les leçons
des découvertes et errances de ces dernières années. Et ce, me semble-t-il,
tout spécialement du point de vue du
rapport que la physique entretient avec
différentes formes de diversité.
© MICHAEL JUNGBLUT/ 2010 CERN
« L’Univers de particules », une
exposition interactive permanente
du CERN, présente au grand public
les avancées et enjeux de la
physique contemporaine.
Il est presque inévitable de plaider
aujourd’hui pour une plus grande et
plus profonde diversité de chemins suivis. Prenons deux exemples. D’abord, le
plus incontournable, celui de la supersymétrie dans le domaine de la physique
de l’infiniment petit. Il s’agit d’une élégante hypothèse suivant laquelle toutes les particules connues auraient un
« partenaire » non encore découvert. Elle
permettrait de résoudre beaucoup de difficultés du « modèle standard » de la physique des particules et apparaît légitimement comme une extension naturelle de
ce dernier. Ses avantages sont non seulement techniques mais aussi esthétiques.
Sans même mentionner qu’elle offre
l’une des seules explications sérieuses à
l’énigme de la matière noire dans l’Univers. Il était évidemment nécessaire de
sonder cette piste. Elle a suscité – à juste
titre – des efforts considérables de façon
presque monopolistique depuis plus de
trente ans. Ces efforts ont été nécessaires
pour bien comprendre les méandres de
cette théorie complexe. Ils ne furent pas
vains. Néanmoins, il semble que les résultats actuels du LHC ne corroborent pas
cette théorie. Aucune trace, à ce jour, de
particule supersymétrique. Bien évidemment, la théorie n’est pas encore réfutée
et, même à l’issue du programme LHC,
elle ne saurait l’être tout à fait. Mais elle
est suffisamment en difficulté pour que
la question se pose : « Et si la supersymétrie n’était pas correcte ? » C’est une éventualité qu’il n’est plus possible d’ignorer.
Les jeunes physiciens s’étaient habitués
à ce que l’assentiment de leurs pairs soit
le seul critère d’évaluation d’une posture scientifique. Cette réalité expérimentale qui s’impose aujourd’hui, presque avec violence, n’était plus dans les
mœurs de la physique des hautes énergies. Quelles leçons en tirer aujourd’hui ?
Sans doute un certain étonnement face
à l’entêtement avec lequel une voie unique a condensé l’immense majorité des
recherches en physique « au-delà du
modèle standard ». Nous disposons de
peu d’hypothèses alternatives à la supersymétrie. Et pourtant, le modèle standard
est incomplet. N’eût-il pas été sain d’encourager quelques autres pistes prometteuses ? A-t-il été vraiment judicieux de
mener autant d’analyses extrêmement
détaillées sur le potentiel scientifique des
futures expériences dans le seul cadre
du MSSM (Modèle SuperSymétrique
Minimal), balayé en quelques mois de
fonctionnement du LHC ? Quand bien
même la supersymétrie se révélerait in
fine exacte, n’eût-il pas été sage de ne pas
y investir tous nos efforts ?
Gravitation quantique. Un deuxième
exemple appelle le même type de
réflexion : les recherches en gravitation
quantique, même si dans ce domaine
les tests expérimentaux ne sont pas
encore d’actualité. Graal de la physique
théorique, la gravitation quantique est
un cadre permettant de concilier les
grands principes de la physique d’Einstein, d’une part, et de ceux de la physique
de Heisenberg et de Schrödinger, d’autre
part. Depuis plusieurs décennies la théorie des cordes, qui tente d’unifier toutes
les particules et interactions fondamentales en les décrivant comme différents
modes de vibration de petite cordes élémentaires, concentre la grande majorité
des efforts dans la discipline. C’est, là
encore, un pari tout à fait raisonnable.
Pourtant, et sans que cela ôte quoi
que ce soit à sa crédibilité et à son élégance, aucune indication expérimentale
ne plaide aujourd’hui en faveur de cette
théorie. Il semblerait donc essentiel, en
ce domaine également, de diversifier les
tentatives. La communauté scientifique
semble l’avoir compris – au moins en
France : la gravitation quantique à boucles, par exemple, connaît aujourd’hui
un essor fulgurant. Elle consiste à réinterpréter la structure même de l’espace
en combinant les leçons de la relativité
générale et de la physique quantique.
Seuil critique. Mais ces études sont
d’une immense difficulté, technique
comme conceptuelle, et il existe un
« seuil critique » en dessous duquel une
communauté scientifique ne peut pas
être crédible et performante. Si la gravitation quantique à boucles a enfin, et fort
heureusement, passé ce seuil en France,
il n’en est pas de même pour d’autres
approches également prometteuses…
Ne faudrait-il pas envisager, là aussi, >>>
> lE CONSTAT
Avec le recul, on peut s’étonner
de l’entêtement à concentrer la
majorité des recherches dans une
voie unique.
> la recommandation
Plaider pour une plus grande
et plus profonde diversité des
pistes d’investigation.
> La mise en garde
La diversité a aussi des effets
pervers, dont il faut se méfier.
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la physique du xxie siècle
>>> la possibilité de l’échec avec un peu
plus de conviction ? Peut-on se permettre de voir travailler l’essentiel des physiciens théoriciens du monde entier,
depuis si longtemps, sur si peu de modèles si spéculatifs ?
En contrepoint de ce plaidoyer pour
une plus grande diversité des voies d’investigations, trois arguments doivent
tempérer tout excès en ce sens. Le premier tient au coût considérable du développement d’un modèle sérieux : des
dizaines de chercheurs à plein temps,
au moins, pendant plusieurs décennies.
Il n’est tout simplement pas matériellement possible d’étudier toutes les idées
a priori intéressantes.
Manque d’idées. Le deuxième est lié
à ce qu’il ne suffit pas d’invoquer la multiplicité pour qu’elle surgisse ! Prenons
l’exemple de la matière noire* de l’Univers. Il serait extrêmement souhaitable,
tout le monde en convient, de disposer de
nombreux modèles alternatifs pour l’expliquer. Et ce n’est pas l’institution scientifique qui freine de tels développements.
Le fait est que ce sont ici les idées crédibles
et convaincantes qui font défaut ! Ce n’est
pas un simple problème de politique, c’est
un problème de physique…
Le troisième est lié aux effets parfois
pervers de la diversité. Considérons l’accélération de l’expansion cosmologique.
Magnifique exemple d’une profusion
presque illimitée de modèles. Les théories tentant d’expliquer cette observation
sont quasiment aussi nombreuses que
les physiciens travaillant sur le sujet. Au
point qu’il est difficile de les classer et de
comprendre véritablement leurs fondements physiques. Pourtant, une simple
constante cosmologique, prédite par la
*La Matière noire représente
l’essentiel de la matière de l’Univers mais elle
est invisible et sa nature reste inconnue.
*une théorie ultime serait capable
d’unifier toutes les particules et toutes les
interactions.
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théorie de la relativité générale,
permet d’expliquer simplement
ce phénomène. Disposer d’explications de remplacement est
évidemment intéressant, mais
faut-il à ce point s’acharner à élaLes prédictions des théories de
borer des modèles extrêmement
gravitation quantique, comme la théorie
complexes – et parfois bancals –
des cordes ici vue par un artiste, sont
alors même que le paradigme
souvent incompatibles avec la réalité.
dominant s’accommode de l’obFaut-il pour autant réfuter ces théories ?
servation ? Ne faut-il pas aussi se
méfier de l’attrait vertigineux de
la diversité ?
(l’existence de 9 dimensions spatiales en
Derrière ces remarques se cachent théorie des cordes en est une). Ces incomsans doute quelques interrogations plus patibilités peuvent parfois être dépassées
fondamentales encore sur la nature de par des astuces adaptées (par exemple
la physique et sur ce que l’on en attend. en supposant que ces dimensions exisEn particulier, la question d’une théorie tent mais sont très petites). Ces astuces
ultime* se pose généralement quant à demandent parfois beaucoup d’ingéniola forme que celle-ci devrait revêtir. Ou sité et, une fois trouvées, elles deviennent
éventuellement quant à la distance qui bien davantage que de simples tours de
nous en sépare. Mais elle aborde rare- passe-passe. Mais elles témoignent d’une
ment la dimension cruciale de la pos- intrication entre le monde et les théories
sibilité même de son existence. Est-il beaucoup plus complexe et subtile que
aujourd’hui incontestable qu’une telle ce qu’on pourrait être tenté de supposer.
théorie doive exister et qu’elle doive être N’est-il pas envisageable que des efforts
unique ? Ne peut-on pas concevoir une suffisants investis dans le développement
description du réel intrinsèquement plu- d’un modèle, dont la base est raisonnable,
rielle ? Et ce, au sein du mode physico- parviennent à le rendre viable ? Au prix,
mathématique qui nous intéresse ici.
parfois, d’un changement de prisme sur le
réel. Bien sur, certains modèles pourront
Des astuces adaptées. Il est tout à fait conduire à des prédictions différentes et
évident que toutes les propositions ne se être ultérieurement départagés. Mais
valent pas. L’immense majorité des idées n’en va-t-il pas de l’essence même de la
saugrenues est bien évidemment indé- physique que de disposer de plusieurs
fendable et très aisément réfutable. Cela modèles différents, non encore disquane fait aucun doute. Mais il est aussi légi- lifiés, à un instant donné de son histoire ?
time de se demander si certains modè- Et, parce qu’aucun modèle n’est éternel,
les ingénieux ne deviendraient pas très n’est-il pas ontologiquement sensé de
certainement des branches de physique les considérer comme simultanément
respectables si suffisamment d’efforts justes ? Une nouvelle voie de pensée, qui
et de moyens leur étaient consacrés. La serait un pluralisme sans laxisme et sans
vision simpliste d’une science fonction- nihilisme, s’entrouvre peut-être. Elle reste
nant par élimination méthodique des en grande partie à inventer. n
propositions réfutées, sur le modèle du
philosophe des sciences Karl Popper, ne
Pour en savoir plus
me semble bien évidemment pas cor>>Aurélien
Barrau et Jean-Luc Nancy, Dans quels
recte. Les modèles de gravitation quan- mondes vivons-nous ?, Galilée, 2011.
tique notamment font souvent des pré- >>Carlo
Rovelli, Et si le temps n’existait pas ?,
dictions incompatibles avec le monde réel Dunod, 2012.
© P. CARRIL/ NOVAPIX
Multiplier les théories…
raisonnablement