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Titre original :

Lost in Math

© 2018 by Sabine Hossenfelder. All rights reserved.

Tous droits de traduction, de reproduction et d’adaptation

réservés pour tous les pays.

© 2019 Société d’édition Les Belles Lettres

95, bd Raspail 75006 Paris.

ISBN : 978-2-251-91116-8

Dédicace

À Maman

Exergue

Heaven holds a sense of wonder

And I wanted to believe

That I’d get caught up

When the rage in me subsides

Sarah McLachlan *, Silence

* « Le Ciel a quelque chose de merveilleux, et je voulais croire que je le verrais quand la colère en moi se serait apaisée », Sarah McLachlan (chanteuse canadienne de pop et de soft rock née en 1968).

Préface

Ils en étaient si sûrs qu’ils ont parié des milliards. Pendant des décennies, les physiciens nous ont dit qu’ils savaient quelles seraient leurs prochaines découvertes. Ils ont construit des accélérateurs, lancé des satellites dans l’espace, installé des capteurs dans des puits de mine. Le monde s’est préparé à une explosion de la passion pour laphysique. Mais alors que les physiciens s’attendaient à une percée, il ne s’est rien passé. Leurs expériences n’ont rien révélé de nouveau.

Ce ne sont pas leurs calculs qui ont trahi les physiciens, mais leurs choix mathématiques. Ils pensaient que Dame Nature était élégante, simple et généreuse quand il s’agissait de leur donner des clés. Ils croyaient l’entendre murmurer quand ils discutaient entre eux. Et quand elle a parlé, elle n’a rien dit, avec une clarté assourdissante.

La physique théorique est l’archétype de la discipline ultra-mathématique et difficile à appréhender. Or, si ce livre est un livre sur les maths, il en contient, en réalité, fort peu. Oubliez les équations et les termes techniques, et la physique se mue en une quête de sens ‒ une quête qui a pris une tournure inattendue. Quelles que soient les lois naturelles qui gouvernent notre univers, elles ne correspondent pas à ce que pensaient les physiciens. Ni à ce que je pensais.

Lost in Maths raconte comment le jugement esthétique est le moteur de la recherche contemporaine. Il raconte mon histoire personnelle, une réflexion sur l’usage que je fais de ce que l’on m’a enseigné. Mais il raconte aussi l’histoire de beaucoup d’autres physiciens confrontés à la même contradiction : nous croyons que les lois de la nature sont belles, mais un scientifique ne devrait-il pas s’abstenir de croire ?

Chapitre 1

Les règles secrètes de la physique

Où je m’aperçois que je ne comprends plus la physique. Je m’entretiens avec des amis et des collègues, découvre que je ne suis pas la seule à être perdue et décide de ramener le monde à la raison.

L’énigme du bon scientifique

J’invente de nouvelles lois de la nature. C’est comme ça que je gagne ma vie. Je suis un des quelque dix mille chercheurs qui ont pour mission d’améliorer nos théories de la physique des particules. Dans le temple de la connaissance, c’est nous qui creusons sous la crypte et sondons les fondations. Nous inspectons les fissures, les failles suspectes des théories existantes. Et quand nous pensons avoir mis le doigt sur quelque chose, nous appelons à la rescousse les expérimentalistes, qui vont fouiller dans des couches encore plus profondes. Si, au siècle dernier, cette répartition du travail entre théoriciens et expérimentalistes a parfaitement fonctionné, ma génération, elle, a subi un échec phénoménal.

Au bout de vingt ans passés dans la physique théorique, la plupart des gens que je connais ont fait carrière en étudiant des choses que personne n’a vues. Ils ont concocté de nouvelles théories ahurissantes, comme celle qui veut que notre univers ne soit qu’un parmi une infinité d’autres qui forment un « multivers ». Ils ont inventé des dizaines de nouvelles particules, déclaré que nous étions des projections d’un espace contenant davantage de dimensions et que l’espace lui-même est né de trous de ver qui relient entre eux des lieux lointains.

Des idées qui, si elles suscitent immanquablement la controverse, n’en sont pas moins extrêmement populaires, d’intrigantes spéculations, certes magnifiques, mais inutiles. D’autres sont invérifiables, même sur le plan théorique. Ce qu’elles ont en commun, c’est qu’elles sont défendues par des théoriciens convaincus que leurs équations recèlent une part de vérité quant à la nature. Leurs théories, pensent-ils, sont trop belles pour ne pas être vraies.

L’invention de nouvelles lois de la nature ‒ le développement théorique ‒ ne s’enseigne pas à l’école, elle n’est pas expliquée dans les manuels. Les physiciens l’apprennent en partie en étudiant l’histoire de la science, mais s’en imprègnent surtout auprès de collègues plus âgés, d’amis, de mentors, de superviseurs et de rapporteurs. Transmise d’une génération à la suivante, elle est en grande partie liée à l’expérience, une capacité, durement acquise, à deviner ce qui fonctionne. Quand on leur demande d’évaluer les perspectives d’une théorie nouvelle et qui n’a pas encore été vérifiée, les physiciens évoquent des concepts comme la nature, la simplicité ou l’élégance et la beauté. Ces règles secrètes sont omniprésentes dans les fondations de la physique. Elles sont inestimables. Et absolument contraires à l’objectivité, condition sine qua non de tout travail scientifique.

Ces règles secrètes ne nous aident guère. Bien que nous ayons avancé une pléthore de nouvelles lois de la nature, aucune n’a encore été confirmée. Et alors que je voyais ma profession sombrer dans la crise, j’ai traversé ma propre crise personnelle. Je ne suis plus du tout sûre que ce que nous faisons ici, dans les fondations de la physique, soit bien des sciences. Et si ce n’est pas le cas, alors, pourquoi suis-je en train de perdre mon temps avec ça ?

*

Je suis devenue physicienne parce que je ne comprends pas le comportement humain. Je suis devenue physicienne parce que les maths nous disent comment fonctionnent les choses. J’aimais cette propreté, cette mécanique sans ambiguïté, le pouvoir que les mathématiques exercent sur la nature. Vingt ans plus tard, ce qui m’empêche de comprendre la physique, c’est que je ne comprends toujours pas le comportement humain.

« Nous ne pouvons pas établir de règles mathématiques exactes pour définir si une théorie est séduisante ou non, déclare Gian Francesco Giudice. Malgré tout, il est étonnant de voir comment la beauté et l’élégance d’une théorie sont universellement reconnues par des gens issus de cultures différentes. Si je vous dis : “Écoutez, j’ai un nouvel article, et ma théorie est superbe”, je n’ai pas besoin d’entrer dans les détails de ma théorie, vous allez comprendre pourquoi je suis enthousiaste, non ? »

Non, justement, et c’est pour ça que je m’entretiens avec lui. Pourquoi les lois de la nature devraient-elles se soucier de ce que je trouve beau ? Pareille connexion entre l’univers et moi me paraît tout à fait mystique, romantique. Autrement dit, tout le contraire de ce que je suis.

Mais Gian pense que la nature ne se soucie pas de ce que je trouve beau, mais de ce que lui trouve beau.

« La plupart du temps, c’est une question de feeling, poursuit-il, rien que l’on puisse mesurer en termes mathématiques : c’est ce que l’on appelle l’intuition physique. Il y a une différence non négligeable entre la façon qu’ont les physiciens de voir la beauté et celle des mathématiciens. C’est la bonne combinaison entre l’explication de faits empiriques et le recours à des principes fondamentaux qui confère sa beauté à une théorie physique et qui est la source de son succès. »

Gian est membre de la division Théorie du CERN, le Conseil européen pour la recherche nucléaire. C’est au CERN que se trouve le plus grand collisionneur de particules du monde, le Large Hadron Collider (LHC), ou grand collisionneur d’hadrons, le meilleur moyen qu’ait pour l’instant trouvé l’humanité afin d’observer au plus près les composants élémentaires de la matière : un anneau de 27 kilomètres de circonférence, qui a coûté plus de 5 milliards d’euros, et qui a pour fonction d’accélérer des protons pour les envoyer s’écraser les uns contre les autres à une vitesse proche de celle de la lumière.

Le LHC aligne les superlatifs : supraconducteurs, ultravide, des grappes de serveurs qui, pendant les expériences, enregistrent environ trois gigabytes de données ‒ l’équivalent de plusieurs milliers de livres électroniques par seconde. Le LHC a rassemblé des milliers de scientifiques, a nécessité des dizaines d’années de recherches et des milliards de composants de haute technologie, tout cela dans un seul but : découvrir de quoi nous sommes faits.

« La physique est un jeu subtil, continue Gian, et pour en découvrir les règles, il faut non seulement de la rationalité, mais aussi de la subjectivité. De mon point de vue, c’est ce côté irrationnel qui fait que la physique est géniale et passionnante. »

J’appelle depuis mon appartement, environnée de cartons empilés. J’étais en détachement à Stockholm, mais il est temps de rentrer et de chercher un autre financement.

Quand j’ai obtenu mon diplôme, je croyais que je me sentirais chez moi dans ce milieu, une famille d’investigateurs sur la même longueur d’onde que moi, tous rêvant de comprendre la nature. Mais je me sens de moins en moins en phase avec mes collègues qui, d’un côté, prônent l’importance du jugement empirique impartial et, de l’autre, ont recours à des critères esthétiques pour défendre leurs théories favorites.

« Quand on trouve une solution à un problème sur lequel on a travaillé, on ressent cette espèce d’excitation interne, me dit Gian. C’est le moment où on commence soudain à voir émerger la structure qui se trouve derrière le raisonnement. »

Les recherches de Gian se concentrent sur le développement de nouvelles théories de la physique des particules qui promettent apparemment de résoudre les problèmes des théories existantes. Il a inventé une méthode qui permet de quantifier le caractère naturel d’une théorie, une mesure mathématique à partir de laquelle on peut établir à quel point une théorie repose sur des coïncidences improbables1. Plus une théorie est naturelle, moins elle a besoin de coïncidences, et plus elle est attirante.

« La sensation qu’une théorie physique est belle doit être profondément ancrée dans notre cerveau, ça ne peut pas être une construction sociale. C’est quelque chose qui fait vibrer une corde interne, ajoute-t-il. Quand on tombe sur une superbe théorie, on a la même réaction émotionnelle que face à une œuvre d’art. »

Non que je ne comprenne pas de quoi il parle ; je ne comprends pas en quoi c’est important. Je doute que mon sens de la beauté soit un guide fiable quand il s’agit de découvrir les lois fondamentales de la nature, des lois qui dictent le comportement d’entités dont je n’ai jamais eu et n’aurai jamais aucune conscience sensorielle directe. Pour que cela soit profondément intégré dans mon cerveau, il aurait fallu que cela ait eu un quelconque avantage durant la sélection naturelle. Mais quel avantage y a-t-il jamais eu, en termes d’évolution, à comprendre la gravité quantique ?

Et si la création artistique est vénérable, la science n’est pas de l’art. Nous ne recherchons pas des théories pour susciter des réactions émotionnelles, nous cherchons des explications à ce que nous observons. La science est une entreprise organisée qui a pour but de surmonter les faiblesses de la cognition en échappant aux mirages de l’intuition. La science n’est pas affaire d’émotion ‒ elle est affaire de chiffres, d’équations, de données, de graphiques, de faits et de logique.

Je crois bien qu’en fait j’avais envie qu’il me prouve que je me trompais.

Quand je lui demande ce qu’il pense des dernières données fournies par le LHC, il me répond :

« Nous sommes complètement perdus. » Enfin, quelque chose que je comprends.

Échec

Pendant ses premières années de fonctionnement, le LHC a consciencieusement produit une particule appelée le boson de Higgs, dont l’existence avait été prédite dès les années 1960. Mes collègues et moi espérions clairement que ce projet chiffré en milliards d’euros ne se contenterait pas de confirmer ce dont personne ne doutait. Nous avions identifié des fissures prometteuses dans les fondations, qui nous avaient convaincus que le LHC accoucherait aussi d’autres particules encore inconnues. Nous avions tort. Le LHC n’a rien vu qui puisse étayer les nouvelles lois de la nature que nous venions d’inventer.

Nos amis les astrophysiciens ne sont guère plus heureux. Dans les années 1930, ils avaient découvert que les amas de galaxies contiennent beaucoup plus de masse que ce que peut représenter toute la matière visible combinée. Même en admettant des incertitudes importantes dans les données, pour expliquer ces observations, on a besoin d’une nouvelle sorte de matière, la « matière noire ». Les indices démontrant l’attraction gravitationnelle exercée par la matière noire se sont accumulés depuis, donc, nous sommes sûrs qu’elle existe. Mais nous n’avons aucune idée de ce qui la compose. Les astrophysiciens pensent qu’il s’agit d’un type de particule que l’on ne trouve pas ici, sur Terre, une particule qui n’émet pas de lumière et ne l’absorbe pas non plus. Ils ont conçu de nouvelles lois de la nature, des théories non confirmées, pour guider la construction de détecteurs destinés à vérifier leurs idées. À partir des années 1980, des dizaines d’équipes expérimentales se sont lancées à la poursuite de ces particules de matière noire hypothétique. Sans succès. Leurs nouvelles théories attendent toujours d’être confirmées.

Les perspectives ne sont pas tellement plus réjouissantes dans le domaine de la cosmologie, où les physiciens tentent vainement de comprendre ce qui pousse l’univers à s’étendre de plus en plus vite, observation attribuée à une « énergie noire ». Ils peuvent montrer, mathématiquement, que ce substrat étrange n’est rien d’autre que l’énergie véhiculée par le vide de l’espace, mais ils ne parviennent pas à calculer la quantité de cette énergie. C’est une de ces failles dans les fondations par lesquelles les physiciens espèrent jeter un œil, mais, jusqu’à présent, ils n’ont pas réussi à apercevoir quoi que ce soit qui viendrait appuyer les nouvelles théories qu’ils ont échafaudées pour expliquer l’énergie noire.

Pendant ce temps, dans le monde des fondations quantiques, nos collègues souhaitent améliorer une théorie qui n’a absolument aucun défaut. Ils agissent en se fondant sur la conviction que quelque chose ne va pas dans les structures mathématiques, qui ne correspondent pas à des entités mesurables. Ce qui les chagrine, comme s’en sont plaints Richard Feynman, Niels Bohr et d’autres héros de la physique du siècle dernier, c’est que « personne ne comprend la mécanique quantique ». Les chercheurs spécialistes des fondations quantiques veulent mettre au point de meilleures théories, persuadés, comme tous les autres, d’être sur la bonne voie. Malheureusement, toutes les expériences ont confirmé la prédiction de la théorie incompréhensible du siècle précédent. Et les nouvelles théories ? Elles ne sont pour l’heure toujours que des spéculations invérifiées.

Toutes ces tentatives avortées pour détecter de nouvelles lois de la nature ont nécessité des efforts immenses. Or, depuis désormais plus de trente ans, nous nous montrons incapables d’améliorer les fondations de la physique.

*

Alors comme ça, vous voulez savoir ce qui assure la cohésion du monde, comment l’univers a été fait et les règles qui gouvernent notre existence ? La meilleure façon d’approcher de la réponse à ces questions, c’est de suivre la piste des faits jusqu’aux fondations de la science. La suivre jusqu’à ce que lesdits faits se raréfient et que la poursuite de votre voyage soit bloquée par des théoriciens en train de débattre pour savoir quelle théorie est la plus jolie. C’est à ce moment-là que vous saurez que vous avez atteint les fondations.

Les fondations de la physique, ce sont ces ingrédients qui, dans nos théories, pour ce que l’on en sait aujourd’hui, ne peuvent être déduits de rien de plus simple. C’est à ce niveau le plus profond de notre édifice que nous trouvons l’espace, le temps, et 25 particules, ainsi que les équations qui codent leur comportement. Les sujets de mon domaine de recherche sont donc les particules qui se déplacent dans l’espace et le temps, qui parfois s’entrechoquent et parfois forment des composés. Ne les imaginez pas comme de petites balles ; elles n’ont rien à voir avec ça, à cause de la mécanique quantique (nous y reviendrons). Il vaut mieux les visualiser comme des nuages capables de prendre n’importe quelle forme.

Dans les fondations de la physique, nous ne nous occupons que de particules qu’il est impossible de continuer à décomposer ; c’est ce que nous appelons les « particules élémentaires ». En l’état actuel de nos connaissances, elles n’ont aucune structure interne. Mais les particules élémentaires peuvent se combiner pour composer des atomes, des molécules, des protéines ‒ et ainsi créer la gigantesque diversité des structures qui nous entourent. Ce sont ces 25 particules qui nous composent, vous, moi, et tout ce qui se trouve dans l’univers.

En fait, en elles-mêmes, elles ne sont pas si intéressantes que ça. Ce qui est intéressant, ce sont les relations entre elles, les principes qui déterminent leurs interactions, la structure des lois qui ont donné naissance à l’univers et permis que nous existions. Dans notre jeu, ce sont les règles qui nous préoccupent, pas les pions. Et la leçon la plus importante que nous ayons apprise, c’est que la nature joue en appliquant les règles des mathématiques.

Fait de maths

En physique, les théories sont faites de maths. Nous ne nous servons pas des maths parce que nous tenons tant que ça à effrayer les gens qui ne connaissent pas la géométrie différentielle et les algèbres de Lie graduées. Non, nous nous en servons parce que nous sommes des idiots. Les maths nous obligent à rester honnêtes ‒ elles nous empêchent de nous mentir, à nous-mêmes et aux autres. Avec les maths, on peut se tromper, mais on ne peut pas mentir.

En tant que physiciens théoriciens, nous avons pour mission de développer les mathématiques nécessaires soit pour décrire des observations existantes soit pour établir des prédictions qui guideront les stratégies expérimentales. Le recours aux mathématiques dans le développement des théories impose une rigueur logique et une cohérence interne. Il garantit que les théories sont sans ambiguïté et les conclusions reproductibles.

En physique, les maths ont connu un succès retentissant, ce qui fait qu’aujourd’hui elles constituent un étalon de qualité qui fait l’objet d’une application rigoureuse. Les théories que nous élaborons de nos jours sont des ensembles de suppositions ‒ des relations ou des définitions mathématiques ‒ accompagnées d’interprétations qui relient les maths à des éléments observables dans le monde réel.

Mais nous ne développons pas de théories en couchant par écrit des suppositions, puis en déduisant des conséquences observables dans une séquence de théorèmes et de preuves. En physique, les théories sont presque toujours issues de vagues assemblages d’idées. C’est souvent à nos collègues de la physique mathématique ‒ une branche des mathématiques, et non de la physique ‒ qu’est laissé le soin de remettre de l’ordre dans le chaos semé par les physiciens dans le développement théorique et de concevoir un bel ensemble de suppositions à partir desquelles il sera possible de déduire toute la théorie.

Pour la plupart, physiciens et mathématiciens se sont entendus sur une subtile répartition des tâches qui voit les premiers se plaindre que les seconds font sans cesse la fine bouche, et les seconds dénoncer le manque de sérieux des premiers. Mais dans un camp comme dans l’autre, nous sommes avant tout conscients que le progrès dans un domaine servira de moteur au progrès ailleurs. De la théorie des probabilités à celle du chaos en passant par les théories quantiques des champs qui se trouvent à la base de la physique des particules modernes, les maths et la physique ont toujours marché main dans la main.

Mais la physique n’est pas des maths. Outre une cohérence interne (qui interdit toute conclusion contradictoire), une théorie réussie doit également être en cohérence avec l’observation (et ne pas être en contradiction avec les données). Dans le domaine de la physique qui est le mien, où nous travaillons sur les questions les plus fondamentales, c’est une exigence stricte. Il existe tant de données disponibles qu’il est tout simplement impensable d’effectuer tous les calculs indispensables à de nouvelles propositions de théories. De plus, ce n’est pas nécessaire, car il y a un raccourci : nous commençons par démontrer qu’une nouvelle théorie est en accord avec les anciennes théories, solidement confirmées, de façon précise et mesurable, reproduisant ainsi les résultats des anciennes théories. Il ne nous reste plus alors qu’à ajouter des calculs portant sur ce que les nouvelles théories permettent d’expliquer en plus.

Il peut être excessivement difficile de démontrer qu’une nouvelle théorie reproduit le résultat d’anciennes. Et ce, parce qu’une nouvelle théorie peut reposer sur un cadre mathématique tout à fait différent, qui ne ressemble en rien à celui de l’ancienne. Pour parvenir à prouver que l’une et l’autre aboutissent néanmoins aux mêmes prédictions pour des observations déjà effectuées, il faut souvent trouver un moyen adéquat de reformuler la nouvelle théorie. C’est assez simple dans les cas où la nouvelle théorie se sert directement des mathématiques de l’ancienne, mais cela peut devenir un obstacle considérable quand on a affaire à des cadres entièrement nouveaux.

Einstein, par exemple, s’est démené pendant des années afin de prouver que la relativité générale, sa nouvelle théorie de la relativité, pouvait reproduire les accomplissements de celle qui l’avait précédée, la gravité newtonienne. Le problème, ce n’était pas que sa théorie n’était pas la bonne, mais qu’il ne savait pas comment s’en servir pour retrouver le potentiel gravitationnel de Newton. Sur le plan mathématique, Einstein avait tout bon, mais ce qui lui manquait, c’était l’identification avec le monde réel. Ce n’est qu’au bout de plusieurs tentatives erronées qu’il a fini par trouver le bon moyen d’y parvenir. Les mathématiques ne sont donc qu’un élément constitutif de ce qu’est une bonne théorie.

Nous nous servons des maths en physique pour d’autres raisons. Si elles nous contraignent à rester honnêtes, elles sont aussi la terminologie la plus économique et la moins ambiguë que nous connaissions. Le langage est malléable ; il dépend du contexte et de l’interprétation. Les maths, elles, ne s’embarrassent ni de la culture ni de l’Histoire. Quand mille personnes lisent un livre, chacune lit un livre différent. Alors que quand mille personnes lisent une équation, cette dernière est la même pour tous.

Mais surtout, en fait, si nous utilisons les mathématiques en physique, c’est parce que nous le pouvons.

Une envie de physique

Si la cohérence logique est une condition sine qua non de toute théorie scientifique, toutes les disciplines ne se prêtent pas à la modélisation scientifique ‒ le recours à un langage aussi rigoureux ne se justifie pas si les données de départ ne témoignent pas de cette même rigueur. Et de toutes les disciplines scientifiques, la physique est celle qui traite des plus simples des systèmes, ce qui la rend particulièrement adaptée à la modélisation mathématique.

En physique, les sujets d’étude sont aisément reproductibles. Nous savons comment contrôler les environnements expérimentaux, et quels effets peuvent être négligés sans compromettre la précision. En psychologie, par exemple, les résultats sont difficiles à reproduire parce que chaque personne est unique, et l’on sait rarement avec exactitude quelle excentricité plutôt qu’une autre jouera un rôle dans la psyché humaine. Les atomes d’hélium n’ont jamais faim, et ils sont d’humeur égale le lundi comme le vendredi.

C’est cette précision qui explique la réussite de la physique, mais c’est aussi elle qui la rend si complexe. Pour le non-initié, toutes ces équations peuvent paraître inaccessibles, mais leur manipulation est une question d’éducation et d’habitude. Ce n’est pas la nécessité de comprendre les mathématiques qui fait que la physique est si difficile. Ce qui est vraiment difficile, c’est de trouver les mathématiques qui conviennent. Vous ne pouvez pas vous contenter de prendre n’importe quoi qui ressemble à des maths et dire que c’est une théorie. Ce qui rend la physique si ardue, c’est qu’une nouvelle théorie doit être cohérente, aussi bien sur le plan interne qu’avec les expériences, chacune d’entre elles.

La physique théorique est une discipline extrêmement développée. Les théories avec lesquelles nous travaillons aujourd’hui ont passé plus d’un test expérimental. Et à chaque fois, il est devenu un peu plus difficile de trouver le moyen de les améliorer. Une nouvelle théorie doit à la fois prendre en compte le succès de toutes les théories présentes tout en étant un peu meilleure qu’elles.

Tant que les physiciens concevaient des théories pour expliquer des expériences existantes ou à venir, il s’agissait, pour réussir, d’obtenir les bons chiffres avec le moins d’effort possible. Vingt-cinq ans se sont écoulés entre la prédiction du neutrino et sa détection, il a fallu presque cinquante ans pour confirmer le boson de Higgs, cent ans pour détecter directement les ondes gravitationnelles. Désormais, le temps nécessaire pour tester une nouvelle loi fondamentale de la nature peut dépasser la durée de la carrière d’un scientifique. Ce qui contraint les théoriciens à s’appuyer sur des critères autres que la validité empirique pour déterminer dans quelle voie engager leurs recherches. L’attrait esthétique en est un.

Dans notre quête de nouvelles idées, la beauté joue bien des rôles. C’est un guide, une récompense, une motivation. Et une source d’erreur systématique.

Des amis invisibles

Les déménageurs ont emporté mes cartons, que je ne m’étais même pas donné la peine de déballer, pour la plupart, sachant que je ne resterais pas ici. Les locaux vides me renvoient l’écho de déménagements passés. J’appelle mon ami et collègue Michael Krämer, professeur de physique à Aix-la-Chapelle, en Allemagne.

Michael travaille sur la supersymétrie, « SUSY » pour les intimes. SUSY prédit l’existence d’un grand nombre de particules élémentaires que l’on n’a pas encore découvertes, une partenaire pour chacune de celles que nous connaissons déjà, et quelques autres. Parmi les nouvelles lois de la nature proposées, SUSY est actuellement la plus en vogue. Des milliers de mes collègues ont misé toute leur carrière sur elle. Or, jusqu’à présent, aucune de ces particules supplémentaires n’a été repérée.

« Je pense que j’ai commencé à travailler sur SUSY parce que c’était là-dessus que les gens travaillaient quand je faisais mes études, du milieu à la fin des années 1990 », me dit Michael.

Les mathématiques de SUSY sont très proches de celles de théories déjà établies, et le parcours classique du physicien est une bonne base pour les étudiants qui souhaitent travailler dans ce domaine précis. « C’est un cadre bien défini, c’était facile », assure Michael. Et il a fait le bon choix. Titularisé en 2004, il dirige aujourd’hui le groupe de recherche baptisé New Physics (Nouvelle physique) au grand collisionneur d’hadrons, financé par la Fondation allemande pour la recherche.

« Et j’adore la symétrie, ce qui m’a particulièrement attiré. »

*

Comme je l’ai souligné, dans notre quête pour comprendre de quoi le monde est fait, nous avons trouvé vingt-cinq particules élémentaires différentes. La supersymétrie complète cette collection par une série de particules partenaires qui restent à découvrir, ainsi que quelques autres. Cet ajout supersymétrique est séduisant parce que les particules connues sont de deux types, les fermions et les bosons (du nom, respectivement, d’Enrico Fermi et Satyendranath Bose), et la supersymétrie explique leur relation.

Les fermions sont incroyablement individualistes. Vous aurez beau tout faire, jamais vous ne réussirez à obtenir que deux d’entre eux fassent la même chose au même endroit ‒ il faut toujours qu’il y ait une différence entre eux. Les bosons, eux, n’ont pas ce genre de blocage. Ils ne demandent pas mieux que de danser avec les autres. C’est pour cela que les électrons, qui sont des fermions, se trouvent dans des couches séparées autour du noyau de l’atome. S’ils étaient des bosons, ils seraient tous regroupés dans la même couche, et l’univers serait privé de chimie ‒ et de chimistes, puisque notre propre existence repose sur le refus des petits fermions de cohabiter.

La supersymétrie postule que les lois de la nature restent les mêmes quand on remplace les bosons par des fermions. Ce qui signifie que tout boson connu doit avoir un partenaire fermionique, et tout fermion connu doit avoir un partenaire bosonique. Mais outre le fait que les particules partenaires diffèrent en termes d’affiliation fermionique ou bosonique, elles doivent être identiques.

Aucune des particules déjà identifiées ne présentant la correspondance requise, nous en avons conclu qu’elles ne comportent aucune paire supersymétrique. Au lieu de cela, il faut donc attendre que l’on découvre de nouvelles particules. C’est comme si nous avions une collection de pots et de couvercles disparates et que nous étions persuadés que les pièces correspondantes doivent être rangées quelque part.

Malheureusement, les équations de la supersymétrie ne nous disent rien sur la masse des partenaires de SUSY. Puisqu’il faut davantage d’énergie pour produire des particules plus lourdes, quand sa masse est plus importante, une particule est difficile à trouver. Tout ce que nous avons appris jusqu’à présent, c’est que les « superpartenaires », si elles existent, sont si lourdes que nos expériences ne fournissent pas assez d’énergie pour les créer.

La supersymétrie a bien des qualités. Outre qu’elle révèle que les bosons et les fermions sont les deux faces d’une même pièce, SUSY contribue également à l’unification de forces fondamentales et est potentiellement susceptible d’expliquer plusieurs coïncidences numériques. De plus, certaines des particules supersymétriques présentent exactement les propriétés requises pour composer la matière noire. Je vous en dirai plus à ce propos dans les chapitres suivants.

*

La supersymétrie colle si parfaitement aux théories existantes que de nombreux chercheurs sont convaincus de sa véracité. « En dépit des efforts de plusieurs centaines de physiciens qui ont mené des expériences en quête de ces particules, aucune superpartenaire n’a jamais été ni observée ni détectée », écrit Dan Hooper, physicien de Fermilab. Pourtant, « cela n’a pas suffi à dissuader les physiciens théoriciens, qui s’attendent avec ferveur à ce que la nature soit formulée de cette façon ‒ à ce qu’elle soit supersymétrique. Pour nombre de ces scientifiques, les idées sur lesquelles repose la supersymétrie sont tout simplement trop belles, trop élégantes pour ne pas faire partie de notre univers. Elles permettent de résoudre trop de problèmes et s’intègrent trop naturellement dans notre monde. Pour ces vrais croyants, les particules superpartenaires ne peuvent qu’exister2 ».

Hooper n’est pas le seul à mettre en exergue la force de cette conviction. « Beaucoup de physiciens théoriciens peinent à admettre que la supersymétrie ne joue pas un rôle quelque part dans la nature », reconnaît le physicien Jeff Forshaw3. Et dans un article paru en 2014 dans le Scientific American, sous le titre « La supersymétrie et la crise de la physique », les spécialistes de la physique des particules Maria Spiropulu et Joseph Lykken avouent espérer que les preuves finiront par venir d’elles-mêmes, affirmant qu’il « n’est pas exagéré de dire que la plupart des spécialistes de la physique des particules dans le monde croient que la supersymétrie doit être vraie4 » (ce sont eux qui soulignent).

On a longtemps considéré qu’une symétrie liant bosons et fermions était impossible parce qu’une démonstration mathématique semblait l’interdire5. Mais aucune démonstration n’est plus convaincante que ses hypothèses. On s’est aperçu qu’en assouplissant les hypothèses de cette démonstration, la supersymétrie devient alors la plus grande symétrie qu’il soit possible d’intégrer dans les théories existantes6. Comment la nature pourrait-elle ne pas avoir recours à une idée aussi belle ?

*

« Pour moi, ce qui m’a toujours le plus séduit chez SUSY, c’est qu’elle est la plus grande des symétries, raconte Michael. Ça m’a fasciné. Quand j’en ai entendu parler, je me suis dit : “Oh, ça, c’est intéressant”, parce que j’ai eu le sentiment que cette idée ‒ le fait que grâce à la symétrie on déduit les bonnes lois de la nature, même si on ne comprend pas exactement comment ça fonctionne ‒ était un formidable principe. Je me suis donc dit que ça valait la peine de m’engager là-dedans. »

Quand j’étais étudiante, à la fin des années 1990, les modèles de SUSY les plus simples étaient déjà entrés en conflit avec les données existantes, et on avait déjà entrepris d’en développer des modèles plus complexes, mais toujours viables7. J’avais l’impression que dans ce domaine il ne serait plus possible d’innover sans d’abord détecter les particules prédites. J’ai décidé de me tenir à l’écart de SUSY en attendant.

J’attends toujours. Le grand collisionneur électron-positron (LEP), qui a fonctionné jusqu’en 2000, n’a décelé aucune preuve de SUSY. Le Tevatron, un collisionneur capable d’atteindre des énergies supérieures au LEP, et qui a fonctionné jusqu’en 2011, n’a rien trouvé non plus. Le LHC, encore plus puissant, qui recycle le tunnel du LEP, est en service depuis 2008, mais pour l’instant, pas de trace de SUSY.

Et pourtant, je crains d’avoir commis une grave erreur en ne rejoignant pas ce domaine que tant de mes collègues considéraient, et considèrent encore, comme si prometteur.

Pendant des années, on a eu coutume de croire que quelque chose de nouveau apparaîtrait forcément avec le LHC, car sinon, la meilleure description existante de la physique des particules ‒ le modèle standard ‒ ne serait pas naturelle, selon les mesures introduites entre autres par Gian Francesco Giudice. Les formules mathématiques pour mesurer le naturel reposent sur la conviction qu’une théorie avec beaucoup trop ou pas assez de chiffres n’est pas jolie.

Tout au long de ce livre, nous allons nous pencher sur la question de savoir si cette idée est justifiée. Pour l’instant, disons simplement qu’elle est très répandue. Dans un article de 2008, Giudice expliquait : « Le concept de naturel […] s’est développé dans le cadre d’un “mouvement collectif” de la communauté, qui a de plus en plus mis en avant son importance pour l’existence de la physique au-delà du modèle standard8. » Et plus ils ont étudié le naturel, plus ils se sont persuadés que pour éviter de hideuses coïncidences numériques, il était impératif d’effectuer rapidement de nouvelles découvertes.

« Avec le recul, il étonnant de voir à quel point on a mis l’accent sur cet argument du naturel, concède Michael. Quand j’y repense, les gens se sont contentés de répéter le même argument, encore et encore, sans vraiment y réfléchir. Ils ont dit et répété la même chose pendant dix ans. C’est vraiment incroyable que ça ait pu être le moteur à l’origine de l’édification de tant de modèles. Tout bien considéré, je trouve ça bizarre. Je pense toujours que le naturel a quelque chose de séduisant, mais je ne suis plus convaincu que cela nous amène à découvrir des nouveautés en physique au LHC. »

Le LHC a conclu son premier cycle en février 2013, puis a fermé pour être modernisé. Le deuxième cycle, à des niveaux d’énergie supérieurs, a démarré en avril 2015. Au moment où j’écris ces lignes, en octobre 2015, et dans les mois qui vont suivre, nous espérons obtenir les résultats préliminaires du deuxième cycle.

« Il faut que tu discutes avec Arkani-Hamed, me dit Michael. C’est un partisan du naturel ‒ un type très intéressant. C’est quelqu’un de vraiment influent, surtout aux États-Unis ‒ c’est impressionnant. Il va travailler sur un truc pendant un temps, rassembler des fidèles, puis passer à autre chose l’année suivante. Il y a dix ans, il a travaillé sur ce modèle avec la SUSY naturelle, et il en a parlé de façon si convaincante que tout le monde a commencé à s’y intéresser. Puis, deux ans plus tard, il écrit cet article, là, sur la SUSY non naturelle ; »

Nima Arkani-Hamed s’est fait connaître à la fin des années 1990 quand il a avancé, avec Savas Dimopoulos et Gia Dvali, que notre univers pourrait avoir des dimensions supplémentaires, de taille réduite, mais tout de même assez grandes pour être testées à l’aide d’accélérateurs de particules9. L’idée qu’il existe d’autres dimensions n’a rien de nouveau ‒ elle remonte aux années 192010. Là où Arkani-Hamed et ses collaborateurs ont eu un coup de génie, c’est quand ils ont suggéré que ces dimensions étaient si vastes qu’elles pourraient bientôt être testables, notion qui a inspiré des milliers de physiciens et les a incités à calculer et publier de nouveaux détails. Et le naturel était l’argument expliquant pourquoi le LHC devrait pouvoir révéler ces dimensions additionnelles. « Le naturel requiert que la migration dans les dimensions supplémentaires ne puisse être reportée au-delà de l’échelle TeV* », affirmaient les auteurs dans leur premier article sur ce qui est connu en tant que modèle ADD, d’après leurs initiales. À ce jour, cet article a été cité en référence plus de 5 000 fois. Ce qui en fait un des articles les plus cités dans le domaine de la physique.

En 2002, alors que je m’étais fourvoyée en choisissant une thèse de doctorat liée à une variante de la version des dimensions supplémentaires des années 1920, mon directeur m’a convaincue qu’il valait mieux que je m’intéresse plutôt à son incarnation moderne. Alors, moi aussi, j’ai écrit quelques articles sur la vérification de l’existence de ces dimensions avec le LHC. Sauf que le LHC n’en a trouvé aucune preuve. Je me suis mise à douter des arguments en faveur du naturel. Nima Arkani-Hamed est passé des grandes dimensions supplémentaires à SUSY, et il est aujourd’hui professeur de physique à l’Institut des études avancées de Princeton.

Je me promets mentalement de parler à Nima.

« Bien sûr, il est beaucoup plus difficile à joindre que moi. Je ne crois pas qu’il réponde si facilement que ça aux courriels, m’explique Michael. Il est aux commandes de tout un domaine de la physique des particules aux États-Unis. Et il défend l’idée qu’il nous faut un collisionneur à 100 TeV pour tester le naturel. Et maintenant, peut-être que ce sont les Chinois qui vont le construire ‒ qui sait ? »

Puisqu’il devient de plus en plus évident que le LHC ne fournira pas les preuves espérées en faveur de plus jolies lois de la nature, les spécialistes de la physique des particules reportent une fois de plus leurs attentes sur le prochain, et encore plus gros, collisionneur. Nima est un des principaux avocats de la construction d’un nouvel accélérateur de particules en Chine.

Mais quoi que ce soit d’autre que l’on puisse découvrir à de plus hauts niveaux d’énergie, le fait que, jusqu’à présent, le LHC n’ait trouvé aucune nouvelle particule élémentaire signifie que la bonne théorie est, selon les critères des physiciens, non naturelle. Nous avons bel et bien réussi à nous enferrer dans une situation contradictoire où, conformément à nos propres exigences esthétiques, la nature elle-même est non naturelle.

« Est-ce que ça m’inquiète ? Je ne sais pas. Je suis perplexe, reconnaît Michael. Honnêtement, je suis perdu. Avant le LHC, je pensais que quelque chose allait se passer. Mais maintenant ? Je ne sais plus. » Ça me rappelle quelque chose.

EN BREF

* Les physiciens utilisent beaucoup de maths et sont vraiment fiers que ça marche si bien.

* Mais la physique n’est pas des maths, et le développement des théories doit s’appuyer sur des données.

* Dans certains domaines de la physique, il y a des décennies que l’on n’a pas découvert de nouvelles données.

* Ne pouvant s’appuyer sur des données expérimentales, les théoriciens font appel à des critères esthétiques.

* Et quand ça ne marche pas, ils sont perdus.

* L’abréviation eV correspond à « électronvolt », une mesure d’énergie. Un TeV représente 1012, ou mille milliards d’eV. Au maximum, le LHC peut fournir environ 14 TeV. On dit donc que le LHC « teste » l’échelle TeV (NdA).

Chapitre 2

Quel monde merveilleux

Où je lis tout un tas de livres sur des gens morts et découvre que si tout le monde aime les belles idées, il arrive parfois qu’elles fonctionnent mal. Lors d’une conférence, je commence à redouter que les physiciens ne soient sur le point de renoncer à la méthode scientifique.

D’où nous venons

À l’école, je détestais l’histoire, mais depuis, j’ai appris à comprendre qu’il peut être utile de citer des gens morts pour étayer mes convictions. Je n’aurai certes pas la prétention de vous brosser le tableau historique du rôle de la beauté dans les sciences, parce qu’en fait je m’intéresse plus à l’avenir qu’au passé, et aussi parce que d’autres l’ont fait avant moi1. Mais si l’on veut appréhender l’évolution de la physique, il va bien falloir que je vous raconte à quoi elle ressemblait autrefois.

Jusqu’à la fin du XIXe siècle, il était courant que les scientifiques voient dans la beauté de la nature une preuve de l’existence de Dieu. Alors qu’ils cherchaient ‒ et trouvaient ‒ des explications pour des choses qui avaient autrefois été du domaine de l’Église, l’harmonie inexplicable que dévoilaient les lois de la nature rassurait les croyants, les sciences ne représentaient aucune menace pour le surnaturel.

À l’orée du XXe siècle, quand les sciences se sont détachées de la religion et se sont davantage professionnalisées, ses praticiens ont cessé d’attribuer la beauté des lois de la nature à l’influence divine. Ils se sont émerveillés de l’harmonie des règles qui gouvernent l’univers, mais ont laissé ouverte l’interprétation de cette harmonie, ou ont à tout le moins présenté leurs convictions comme des opinions personnelles.

Au XXe siècle, l’attrait esthétique, effet secondaire des théories scientifiques, en est venu à guider leur élaboration, jusqu’à ce qu’enfin les principes esthétiques se transforment en critères mathématiques. Aujourd’hui, peu nous importe que des arguments soient justifiés par leur beauté ‒ leurs origines non scientifiques se sont « perdues dans les maths ».

*

Le mathématicien et astronome allemand Johannes Kepler (1571-1630), dont les travaux furent fortement influencés par ses convictions religieuses, a été l’un des premiers à formuler des lois quantitatives de la nature. Kepler avait développé un modèle pour le système solaire dans lequel les planètes connues à l’époque ‒ Mercure, Vénus, la Terre, Mars, Jupiter et Saturne ‒ dessinaient des orbites circulaires autour du Soleil. Les rayons de leurs orbites étaient déterminés par des polyèdres réguliers, les solides platoniciens, empilés les uns dans les autres, et les distances entre les planètes ainsi obtenues correspondaient bien aux observations. L’idée était séduisante : « Il est absolument nécessaire que l’œuvre d’un créateur si parfait soit de la plus grande beauté », affirmait Kepler.

À l’aide de tableaux qui détaillaient les positions exactes de la planète, Kepler finit par se convaincre que son modèle était erroné et conclut que les planètes se déplaçaient en ellipses, non en cercles autour du Soleil. Sa nouvelle idée ne tarda pas à susciter la désapprobation de ses pairs ; il n’avait pas respecté les critères esthétiques de son temps.

Il fut plus particulièrement critiqué par Galilée (1564-1642), qui pensait qu’il « suffit pour maintenir un ordre parfait entre les parties du monde que les corps mobiles se meuvent circulairement2 ». Un autre astronome, David Fabricius (1564-1617), se plaignit qu’avec « votre ellipse vous abolissez la circularité et l’uniformité des mouvements, ce qui me paraît plus absurde plus j’y réfléchis profondément ». Fabricius, comme beaucoup de ses contemporains, préférait amender les orbites planétaires en ajoutant des « épicycles », des mouvements circulaires plus petits autour des orbites déjà circulaires. « Si vous parveniez seulement à préserver l’orbite circulaire parfaite et justifier votre orbite elliptique par un autre petit épicycle, écrivit-il à Kepler, ce serait tellement mieux3. »

Mais c’était Kepler qui avait raison. Les planètes se déplacent bien en ellipse autour du Soleil.

Contraint par ses propres conclusions de renoncer à la beauté du polyèdre, Kepler, par la suite, se persuada que les planètes jouaient de la musique sur leur parcours. Dans son livre de 1619, Harmonices mundi, il revint sur cette hypothèse et conclut que « la Terre chante Mi-Fa-Mi ». Ce ne fut pas son ouvrage le plus mémorable. Mais son analyse des orbites planétaires servit de base aux études ultérieures d’Isaac Newton (1643-1727), le premier scientifique à faire un usage rigoureux des mathématiques.

Newton croyait en l’existence d’un dieu dont il percevait l’influence dans les règles respectées par la nature : « Cet admirable arrangement du Soleil, des planètes et des comètes ne peut être que l’ouvrage d’un être intelligent et tout-puissant, écrivait-il en 1726. Toute vérité nouvellement découverte, toute expérience ou théorème est un nouveau reflet de la beauté de Dieu4. » Depuis leur conception, les lois du mouvement et de la gravitation de Newton ont subi des modifications radicales, mais elles restent aujourd’hui valables en tant qu’approximations.

Newton et ses contemporains n’avaient aucun scrupule à associer science et religion ‒ à l’époque, c’était une procédure généralement considérée comme acceptable. En ce sens, le plus fusionnel de tous fut peut-être Gottfried Wilhelm Leibniz (1646-1716), qui développa le calcul différentiel à peu près au même moment que Newton, mais indépendamment de lui. Leibniz pensait que le monde où nous vivons était « le meilleur de tous les mondes possibles » et que tout le mal existant était nécessaire. Il assurait que les imperfections de notre monde étaient fondées « sur le trop de connaissance que nous avons de l’harmonie générale de l’univers et des raisons cachées de la conduite de Dieu5 ». En d’autres termes, selon Leibniz, ce qui est laid ne l’est que parce que nous ne comprenons pas ce qu’est la beauté.

Autant que philosophes et théologiens aiment à en débattre, l’argument de Leibniz ne sert à rien si l’on ne définit pas ce que veut dire « meilleur ». Mais l’idée sous-jacente, à savoir que notre univers serait, d’une certaine façon, optimal, s’est imposée dans les sciences et s’est frayé un chemin sans ménagement dans les esprits au fil des siècles. Une fois exprimée mathématiquement, elle s’est transformée en titan sur les épaules duquel reposent toutes les théories de la physique moderne6. Les théories d’aujourd’hui ne se distinguent que par la tendance qu’elles ont d’exiger d’un système qu’il se comporte de la « meilleure » des manières. Il est par exemple possible de déduire la théorie de la relativité générale d’Einstein en exigeant de la courbure de l’espace-temps qu’elle soit aussi réduite que possible. Il existe des méthodes similaires pour les autres interactions. Pourtant, les physiciens, à notre époque, peinent à trouver un principe dominant selon lequel notre univers serait le « meilleur » ‒ un problème sur lequel nous aurons l’occasion de revenir.

Comment nous en sommes arrivés là

Alors que les siècles passaient et que les mathématiques gagnaient en puissance, les références à Dieu se sont peu à peu estompées dans la physique, ou se sont associées aux lois de la nature elles-mêmes. À la fin du XIXe siècle, Max Planck (1858-1947) était convaincu que « la sainteté de la divinité inintelligible est transmise par la sainteté des symboles ». Puis, au tournant du XXe siècle, la beauté s’est progressivement muée en un principe directeur pour les physiciens théoriciens, transition consolidée par le développement du modèle standard.

Hermann Weyl (1885-1955), un mathématicien qui apporta d’importantes contributions à la physique, n’avait guère de remords quant au fait que ses méthodes n’étaient pas très scientifiques : « Dans mon travail, je m’efforce toujours d’allier la vérité à la beauté. Mais si je dois choisir entre les deux, c’est généralement le beau qui l’emporte7. » L’astrophysicien Edward Arthur Milne (1896-1950), qui joua un rôle dans le développement de la relativité générale, considérait « la beauté comme une route menant à la connaissance, ou plutôt comme la connaissance méritant d’être acquise ». Dans un discours qu’il tint au Club des sciences naturelles de l’université de Cambridge en 1922, il se désola de l’omniprésence de la laideur dans la recherche :

« Il suffit de compulser les archives des périodiques scientifiques, couvrant, disons, une cinquantaine d’années, pour trouver des dizaines d’articles qui n’ont nullement servi à accroître les connaissances scientifiques et ne l’auraient jamais pu, simples moisissures sur le tronc de l’arbre des sciences, et, comme des moisissures, ne cessant de reparaître quand on les élimine. […] [Mais si un article] suscite en nous des émotions que nous associons à la beauté, alors, plus aucune justification n’est nécessaire. Ce n’est pas un champignon, mais un bourgeon, un terminus scientifique, l’aboutissement d’une investigation qui a vu la science atteindre son objectif ultime. Ce sont les articles hideux qui ont besoin d’être justifiés8. »

Paul Dirac (1902-1984), lauréat du prix Nobel dont une équation porte le nom, alla plus loin et donna même des instructions : « Le chercheur, dans ses efforts pour exprimer les lois fondamentales de la Nature sous une forme mathématique, devrait avant tout viser à atteindre la beauté mathématique9. » Un jour, quand on lui demanda de résumer sa philosophie de la physique, il se rendit au tableau et y écrivit : « LES LOIS DE LA PHYSIQUE DEVRAIENT ÊTRE MATHÉMATIQUEMENT BELLES10. » L’historien Helge Kragh conclut sa biographie de Dirac en signalant : « Après 1935, [il] n’a pratiquement plus produit de travaux de valeur en physique. Il n’est pas superflu de préciser que c’est justement pendant cette période que sa pensée a été dominée par le principe de la beauté mathématique11. »

Albert Einstein, qu’il n’est pas franchement nécessaire de présenter, en venait parfois à croire que la pensée était capable par elle-même de révéler les lois de la nature : « Je suis convaincu que nous pouvons découvrir, au moyen de constructions purement mathématiques, les concepts et les lois qui les lient les unes aux autres, qui donnent la clé pour comprendre les phénomènes naturels. […] En un certain sens, j’estime donc qu’il est vrai que la pensée pure peut saisir la réalité, comme l’avaient rêvé nos ancêtres12. » Pour être tout à fait juste, il lui est également arrivé de mettre en avant la nécessité de l’observation.

Jules Henri Poincaré, qui apporta tant aussi bien aux mathématiques qu’à la physique, mais est peut-être surtout célèbre pour avoir découvert le chaos déterministe, vantait les mérites de l’utilisation pratique de la beauté : « Et l’on voit que le souci du beau nous conduit aux mêmes choix que celui de l’utile13. » Poincaré considérait l’« économie de pensée » (Denkökonomie ‒ un terme inventé par Ernst Mach) comme « une source de beauté en même temps qu’un avantage pratique ». La sensibilité esthétique de l’homme, avançait-il, « joue le rôle du crible délicat » qui aide le chercheur à développer une bonne théorie, et « cette harmonie est à la fois une satisfaction pour nos besoins esthétiques et une aide pour l’esprit, qu’elle soutient et qu’elle guide14 ».

Et Werner Heisenberg, un des fondateurs de la mécanique quantique, pensait avec audace que la beauté avait une emprise sur la vérité : « Si la nature nous conduit vers des formes mathématiques d’une grande simplicité et d’une grande beauté, nous ne pouvons nous empêcher de penser qu’elles sont “vraies”, qu’elles révèlent une caractéristique authentique de la nature15. » Comme le raconta son épouse :

« Une nuit, au clair de lune, nous nous promenions dans le massif du Hainberg, et il était complètement emballé par ses visions alors qu’il tentait de m’expliquer sa dernière découverte. Il me parla du miracle de la symétrie comme étant l’archétype originel de la création, de l’harmonie, de la beauté de la simplicité, et de sa vérité intérieure16. »

Méfiez-vous des promenades au clair de lune avec les spécialistes de la physique théorique ‒ parfois, nous nous laissons emporter par notre enthousiasme.

De quoi nous sommes faits

Quand j’étais adolescente, dans les années 1980, on trouvait peu d’ouvrages scientifiques populaires sur la physique théorique contemporaine ou, que Dieu nous en préserve, les mathématiques. C’était dans les biographies de gens morts qu’il fallait chercher. Furetant parmi les livres de la bibliothèque, je m’imaginais en physicien théoricien, tirant sur ma pipe, assis dans un fauteuil en cuir, réfléchissant à des idées grandioses tout en me caressant la barbe d’un air absent. Il y avait quelque chose qui n’allait pas dans ce tableau. Mais le message qui voulait que les mathématiques et la pensée étaient capables de décrypter la nature m’avait profondément marquée. Si ce talent pouvait s’apprendre, alors, c’était ce que je voulais qu’on m’enseigne.

Un des rares livres de vulgarisation scientifique qui abordait la physique moderne dans les années 1980 s’intitulait Fearful Symmetry *, d’Anthony Zee17. Zee, qui était, et est encore, professeur de physique à l’Université de Californie à Santa Barbara, écrivait : « Mes collègues et moi, nous sommes les descendants intellectuels d’Albert Einstein. Nous aimons croire que nous aussi sommes en quête de la beauté. » Et il annonçait le programme : « Durant ce siècle, les physiciens sont devenus de plus en plus ambitieux. […] Ils ne se satisfont plus d’expliquer tel ou tel phénomène, les voilà désormais animés de la foi en l’idée que la Nature est conçue selon un dessein intrinsèque d’une magnifique simplicité. »

Non seulement ils sont « animés de la foi » dans la beauté, mais ils ont trouvé des moyens d’exprimer leur foi sous une forme mathématique : « Les physiciens ont développé la notion de symétrie en tant que critère objectif permettant d’évaluer le dessein de la Nature, poursuivait Zee. Face à deux théories, les physiciens ont le sentiment qu’en règle générale la plus symétrique des deux est la plus belle. Si la beauté est dans l’œil de celui qui contemple, alors, pour le physicien, qui dit beauté dit symétrie. »

*

Pour le physicien, la symétrie est un principe organisateur qui évite les répétitions inutiles. Tout type de schéma, de ressemblance ou d’ordre peut se traduire mathématiquement par une expression de la symétrie. La présence d’une symétrie est toujours révélatrice d’une redondance et permet la simplification. Par conséquent, la symétrie revient à expliquer plus avec moins.

Ainsi, au lieu de vous dire qu’aujourd’hui le ciel paraît bleu à l’ouest, à l’est, au nord, au sud, au sud-ouest et ainsi de suite, je peux juste vous dire qu’il a l’air bleu dans toutes les directions. Cette indépendance de la direction est ce que l’on appelle une symétrie de rotation. Grâce à elle, il suffit de déterminer à quoi un système ressemble dans une direction, puis d’ajouter qu’il est le même dans toutes les directions. L’intérêt, c’est l’économie de mots ou, dans nos théories, d’équations.

Les symétries que manipulent les physiciens sont des versions plus abstraites de cet exemple simple, comme des rotations sur des axes multiples dans des espaces mathématiques internes. Mais elles fonctionnent toujours de la même façon : repérez une transformation où les lois de la nature restent invariantes et vous aurez trouvé une symétrie. Cela peut valoir pour tout ce que vous pouvez formuler par une procédure sans ambiguïté ‒ un glissement, une rotation, une inversion, ou n’importe quelle autre opération. Si cette opération ne modifie pas les lois de la nature, alors, vous êtes en présence d’une symétrie. Ce qui vous évite d’avoir à expliquer les changements qu’entraîne ladite opération. Au lieu de cela, vous pouvez simplement affirmer qu’il n’y a pas de changement. C’est l’« économie de pensée » de Mach.

En physique, nous avons recours à bien des symétries différentes, mais elles ont une chose en commun : ce sont de puissants principes unificateurs parce qu’elles expliquent comment des choses qui, autrefois, semblaient très différentes sont en réalité liées, rattachées par une transformation symétrique. Mais il est souvent difficile de trouver la bonne symétrie afin de simplifier de grandes compilations de données.

Le développement du modèle du quark est peut-être le succès le plus remarquable des principes de symétrie. Depuis l’avènement des collisionneurs de particules dans les années 1930, les physiciens provoquent des collisions entre particules à des niveaux d’énergie toujours plus élevés. Vers le milieu des années 1940, ils ont atteint des énergies capables d’explorer la structure du noyau atomique, et le nombre de particules a commencé à exploser. Il y a d’abord eu les pions et les kaons chargés. Puis le pion neutre et le kaon neutre, les premières résonances delta, une particule baptisée lambda, les sigmas chargés, les rhos, un oméga, l’êta, le K-star, le méson phi ‒ et ce n’était que le début. Enrico Fermi, quand Leon Lederman lui demanda ce qu’il pensait de la récente découverte nommée K-zéro-deux, répliqua : « Jeune homme, si j’étais capable de me souvenir du nom de ces particules, je serais devenu botaniste18. »

En tout, les physiciens ont découvert des centaines de particules, toutes instables et se décomposant rapidement. Ces particules n’avaient apparemment aucune relation entre elles, contrairement à ce qu’espéraient leurs découvreurs, à savoir que les lois de la nature iraient en se simplifiant pour les composants les plus fondamentaux de la nature. Dans les années 1960, les chercheurs rêvaient tous de parvenir à établir une théorie globale à même d’accommoder ce « zoo des particules ».

À l’époque, une des approches les plus populaires consistait à simplement renoncer au désir d’expliquer et à consigner les propriétés des particules dans un grand tableau ‒ la matrice de diffusion ou matrice S ‒ qui était l’exact opposé de la beauté et de l’économie. C’est là qu’intervint Murray Gell-Mann. Il identifia correctement les propriétés des particules ‒ soit l’hypercharge et l’isospin. Il s’avéra alors que toutes les particules pouvaient être classées en fonction de schémas symétriques, les multiplets.

FIGURE 1. Le décuplet des baryons est un exemple de l’utilisation de symétries en physique théorique. Gell-Mann s’est servi de son incomplétude pour prédire l’oméga moins (Ω-), la particule à la pointe inférieure de la figure.

Par la suite, on s’est aperçu que les régularités des multiplets signifiaient que les particules observées étaient composées d’entités plus petites qui ‒ pour des raisons que l’on comprenait mal à l’époque ‒ n’avaient jamais été détectées isolément. Gell-Mann les baptisa les « quarks19 ». Les composants légers, les mésons, sont faits de deux quarks, et les plus lourds, les baryons, de trois quarks. (Tous les mésons sont instables. Les baryons comprennent les neutrons et les protons, qui constituent les noyaux des atomes.)

Une fois révélée, la symétrie des motifs qui en résulte est visible à l’œil nu (voir figure 1). Il est à noter que quand Gell-Mann a avancé cette idée, plusieurs des multiplets étaient encore incomplets. C’est le besoin de symétrie qui l’a par conséquent poussé à prédire les particules nécessaires pour compléter le schéma, en particulier un méson du nom d’oméga moins. On l’a découvert plus tard, doté des propriétés calculées par Gell-Mann, et il a obtenu le prix Nobel en 1969. La beauté l’avait emporté face à l’approche laide et postmoderne de la matrice S.

Cet épisode n’a été que le début d’une série de succès liés aux symétries. Ce sont encore les principes de la symétrie qui ont guidé le développement, puis l’unification de l’interaction électromagnétique avec la force nucléaire faible dans l’interaction électrofaible. De même, l’interaction nucléaire forte a été expliquée par une symétrie entre particules élémentaires. Et avec le recul, les théories de la relativité générale et spéciale d’Einstein purent aussi être comprises comme des expressions du besoin de symétrie.

*

La foi moderne dans la beauté d’une théorie repose donc sur le développement du modèle standard et de la relativité générale. Il est courant de la rationaliser en tant que valeur expérimentale : ayant constaté qu’elle fonctionnait, les scientifiques jugèrent prudent de continuer à s’en servir. Gell-Mann lui-même rapporte qu’en « physique fondamentale une théorie élégante ou belle a plus de chance d’être juste qu’une théorie inélégante20 ». Lederman, le jeune homme qui avait questionné Fermi à propos de la K-zéro-deux, décrocha ensuite un prix Nobel, et lui aussi se convertit à la religion de la beauté : « Nous croyons que la nature est idéalement décrite par des équations aussi simples, belles, compactes et universelles que possible21. »

Steven Weinberg, lauréat du Nobel pour avoir unifié l’interaction électromagnétique et faible, aime établir une comparaison avec l’élevage de chevaux : « [L’éleveur] considère le cheval et déclare : “C’est un beau cheval.” Peut-être n’exprime-t-il, ou elle, qu’une émotion purement esthétique, je pense qu’en réalité c’est plus complexe que ça. L’éleveur a vu beaucoup de chevaux, et de par son expérience, il sait quel type de cheval gagne des courses22. »

Mais tout comme l’expérience que l’on peut avoir avec des chevaux ne sert à rien quand on veut construire une voiture de course, l’expérience que l’on a des théories du siècle précédent risque fort de ne pas servir à grand-chose quand il s’agit d’en concevoir de nouvelles. Et sans la justification de l’expérience, la beauté est plus subjective que jamais. Les physiciens d’aujourd’hui reconnaissent cette contradiction manifeste avec la méthode scientifique, mais le recours à des critères esthétiques n’en est pas moins devenu une pratique communément admise. Et plus un domaine est éloigné des tests expérimentaux, plus l’attrait esthétique de ses théories gagne en importance.

En physique fondamentale, aussi éloignée de l’expérimentation qu’elle peut l’être sans perdre son statut de science, l’influence de la beauté dans la formulation des évaluations est particulièrement prononcée. La plupart de mes collègues ne se donnent même pas la peine de nier qu’ils accordent davantage d’attention aux théories qu’ils jugent belles. Ils mettent, certes, toujours en garde contre les jugements subjectifs, mais ajoutent invariablement un « mais » avant d’invoquer ce qui est la pratique courante.

Frank Wilczek, par exemple, qui a obtenu le prix Nobel en 2004 avec David Gross et Hugh David Politzer pour leurs travaux sur l’interaction forte, écrit dans son livre A Beautiful Question que « notre sens fondamental de la beauté n’est pas vraiment directement adapté aux rouages fondamentaux de la Nature ». Mais, « ayant découvert la beauté au cœur du monde, nous brûlons d’en trouver davantage. Dans cette quête, selon moi, il n’est de guide plus prometteur que la beauté elle-même23 ».

Gerard ‘t Hooft, le premier à avoir formulé un critère mathématique pour le naturel qui sert désormais de moteur à une grande partie de la recherche dans la physique théorique des particules (et qui a lui aussi remporté un prix Nobel), prévient : « La beauté est un concept dangereux, car il peut toujours être trompeur. Si vous vous retrouvez avec une théorie qui est plus belle que ce à quoi vous vous attendiez au début, c’est la preuve que vous avez peut-être raison, peut-être bien. Mais ce n’est absolument pas une garantie. Peut-être qu’une théorie vous paraît belle, mais elle est peut-être tout simplement fausse. Et vous n’y pouvez rien. » Mais : « Il est sûr que quand on découvre de nouvelles théories, quand on voit comme elles sont belles et simples, alors, elles ont un grand avantage. Nous sommes convaincus que ces théories-là ont de meilleures chances de réussite24. »

Dans son best-seller, The Elegant Universe, le théoricien des cordes Brian Greene (qui n’a pas eu de prix Nobel) assure à ses lecteurs : « Le jugement esthétique n’arbitre pas le discours scientifique. » Puis il ajoute : « Mais il arrive effectivement que certaines décisions prises par les spécialistes de la physique théorique soient fondées sur un certain sens esthétique ‒ qui veut que les théories aient une élégance et une beauté comparables au monde que nous connaissons. […] Jusqu’à présent, cette approche a joué un rôle directeur irrésistible, non sans succès25. »

Il est difficile de transmettre les idées des mathématiques abstraites, et cette quête humaine de la beauté pourrait n’être vue que comme un moyen de vendre des livres de vulgarisation scientifique. Or, ces derniers ne se contentent pas de rendre plus abordables des sujets ardus ‒ ils révèlent comment pensent et travaillent les physiciens théoriciens.

Où réside la beauté

Les chercheurs qui approchent aujourd’hui de l’âge de la retraite ont tous en tête les triomphes du siècle dernier, et l’importance qu’ils ont accordée à la beauté a eu une influence considérable sur la génération suivante ‒ la mienne, celle qui échoue. Nous travaillons à partir des idéaux esthétiques désormais formalisés du passé : symétrie, unification et naturel.

Il paraît évidemment sensé de puiser dans l’expérience pour tester ce qui a déjà fonctionné auparavant. De fait, nous serions idiots de ne pas écouter les conseils de ceux qui nous ont précédés. Mais nous serions tout aussi idiots de ne pas nous en éloigner. Je suis sur mes gardes, et chaque résultat nul me pousse à davantage de méfiance. La beauté est un guide, mais elle est traîtresse, et elle a égaré bien des physiciens par le passé.

*

« Le fait que ces interrelations présentent, dans toute leur abstraction mathématique, un incroyable degré de simplicité est un don que nous ne pouvons qu’humblement accepter. Platon lui-même n’aurait pu les croire si belles. Car ces interrelations ne peuvent être inventées ; elles sont là depuis la création du monde. »

C’est ce qu’écrivait Heisenberg à sa sœur Edith26 dans une lettre datée de 1958. Les belles interrelations auxquelles il fait là référence ne sont cependant pas celles de sa théorie de la mécanique quantique. Non, à ce moment de sa vie, il tentait, en vain, de développer une théorie unifiée, qui ne représente plus guère aujourd’hui qu’une note dans la marge des livres d’histoire.

Et quand on s’attarde sur celles des idées de Heisenberg qui ont eu du succès, on s’aperçoit que ses travaux scientifiques n’étaient pas vraiment des merveilles d’esthétique. Son contemporain Erwin Schrödinger eut ce commentaire : « J’étais au courant de la théorie [de Heisenberg], bien sûr, mais les méthodes de l’algèbre transcendantale, qui me paraissaient difficiles, et l’absence de représentabilité me décourageaient, je les trouvais même repoussantes27. »

Non que Heisenberg ait été tellement plus indulgent avec les idées de Schrödinger. Dans une lettre à Wolfgang Pauli, il écrivit : « Plus je pense à la portion physique de la théorie de Schrödinger, plus je la trouve répugnante. Ce que Schrödinger écrit à propos de la représentabilité de sa théorie… je pense que c’est de la merde28. » Au bout du compte, il s’avéra que les approches tant de Heisenberg que de Schrödinger faisaient partie de la même théorie.

L’avènement de la mécanique quantique n’a pas été le seul ratage de la beauté dans la physique. Les solides platoniciens que Kepler avait utilisés pour calculer les orbites des planètes, et que nous avons évoqués plus haut, sont peut-être l’exemple le plus connu du conflit entre les idéaux esthétiques et les faits. Un autre exemple, plus récent, puisqu’il remonte à la première moitié du XXe siècle, est la théorie de l’état stationnaire de l’univers.

En 1927, Georges Lemaître trouva une solution aux équations de relativité générale qui l’amena à avancer l’idée qu’un univers rempli de matière comme le nôtre était en expansion. Il en conclut que l’univers devait avoir eu un début, le « Big Bang ». Einstein, quand il fut confronté pour la première fois à cette solution, informa Lemaître qu’il la trouvait « abominable29 ». Au lieu de cela, il avait intégré un terme supplémentaire dans ses équations ‒ la constante cosmologique ‒ pour imposer à l’univers une configuration statique.

Mais en 1930, Arthur Eddington, qui avait joué un rôle capital dans l’organisation du premier test expérimental de la relativité générale, démontra que la solution d’Einstein avec la constante cosmologique était instable : même la plus infime modification dans la distribution de la matière pouvait la faire s’effondrer ou s’étendre. Cette instabilité, ainsi que les observations d’Edwin Hubble qui venaient à l’appui de l’idée de Lemaître, a finalement poussé Einstein, en 1931, à accepter lui aussi la théorie de l’expansion de l’univers.

Pourtant, pendant les décennies qui suivirent, la cosmologie, manquant toujours de données, servit d’arène à un débat philosophique et esthétique. Arthur Eddington en particulier s’accrocha au concept d’univers statique d’Einstein parce qu’il pensait que la constante cosmologique représentait une nouvelle force de la nature. Il rejetait l’idée de Lemaître sous prétexte que « la notion d’un commencement du monde [le] répugne ».

À la fin de sa vie, Eddington développa une « théorie fondamentale » censée réunir la cosmologie statique à la théorie quantique. Ce qui l’entraîna dans son propre cosmos : « Dans les sciences, nous avons parfois des convictions à propos de la bonne solution à un problème, que nous chérissons, mais que nous sommes incapables de justifier ; nous sommes influencés par quelque sentiment inné de la justesse des choses. » Étant de plus en plus en contradiction avec les données disponibles, la théorie fondamentale d’Eddington fut abandonnée après sa mort en 1944.

Mais l’idée d’un univers inamovible resta populaire. En 1948, afin qu’elle soit compatible avec l’expansion observée, Hermann Bondi, Thomas Gold et Fred Hoyle suggérèrent que la matière était continuellement produite entre les galaxies. Dans ce cas, nous vivrions dans un univers en expansion éternelle, mais qui n’aurait ni début ni fin.

Fred Hoyle était plus particulièrement motivé par des considérations esthétiques. Il se moquait de Lemaître, qu’il surnommait « l’homme du Big Bang » et avouait : « J’ai un préjugé esthétique contre le Big Bang30. » En 1992, quand l’Américain George Smoot annonça avoir mesuré des fluctuations de température dans le fond diffus cosmologique qui contredisaient l’idée de l’état stationnaire, Hoyle (mort en 2001) rejeta ses conclusions. Il révisa son modèle et en fit une « cosmologie d’état quasi stationnaire » afin d’intégrer les données. Pour expliquer le succès de l’idée de Lemaître, il affirmait que « la raison pour laquelle les scientifiques aiment le “Big Bang”, c’est parce que l’ombre de la Genèse plane sur eux31 ».

Les idéaux esthétiques sont aussi à l’origine de ce qui est peut-être l’épisode le plus curieux de l’histoire de la physique : la popularité de la « théorie du vortex », qui avait pour but d’expliquer la diversité des atomes par des nœuds de type différent32. La théorie des nœuds est un domaine intéressant des mathématiques qui a d’ailleurs aujourd’hui des applications en physique, mais la structure atomique n’en fait pas partie. Quoi qu’il en soit, la théorie du vortex, à son apogée, attira environ vingt-cinq scientifiques, essentiellement en Grande-Bretagne, mais aussi aux États-Unis, qui rédigèrent plusieurs dizaines d’articles de 1870 à 1890. Une communauté aussi imposante que productive pour l’époque.

Les partisans de la théorie du vortex avaient été convaincus par sa beauté, en dépit du manque total de preuve. En 1883, dans une brève analyse pour la revue Nature, Oliver Lodge décrivit la « beauté » de la théorie du vortex, « une théorie dont on pourrait presque dire qu’elle mériterait d’être vraie33 ». Albert Michelson (qui se verrait décerner plus tard un prix Nobel) écrivit en 1903 que la théorie du vortex « devrait être vraie même si elle ne l’est pas34 ». James Clerk Maxwell en était également un grand fan, lui qui déclarait :

« Mais la plus grande qualité de la théorie [du vortex], d’un point de vue philosophique, c’est que pour réussir à expliquer des phénomènes, elle ne dépend pas de l’ingéniosité avec laquelle ses concepteurs “sauvent les apparences” en introduisant d’abord une force hypothétique, puis une autre. Une fois l’atome du vortex mis en mouvement, toutes ses propriétés sont absolument établies et déterminées par les lois du mouvement du fluide primitif, pleinement exprimées dans les équations fondamentales. […] Les difficultés de cette méthode sont énormes, mais on connaît une gloire exceptionnelle à les surmonter35. »

Quoi qu’elle ait pu être, la théorie du vortex a été rendue obsolète par les mesures de la substructure atomique et l’avènement de la mécanique quantique.

Or, non seulement l’histoire de la science regorge de belles théories qui se sont révélées fausses, mais en outre, nous avons des idées disgracieuses qui, elles, se sont avérées.

Maxwell lui-même, par exemple, n’aimait pas l’électrodynamique telle qu’il la concevait parce qu’il n’était pas parvenu à développer un modèle mécanique sous-jacent. À l’époque, l’idéal de beauté était un univers fonctionnant comme une mécanique d’horlogerie, mais dans la théorie de Maxwell, les champs électromagnétiques se contentent d’être ‒ ils ne se composent de rien d’autre, pas de rouages, pas d’encoches, ni fluides, ni valves. Sa propre théorie déplaisait donc à Maxwell parce que, selon lui, ce n’était que « quand un phénomène physique [pouvait] être décrit en totalité comme un changement dans la configuration et le mouvement d’un système matériel que l’on [pouvait] dire que l’explication dynamique de ce phénomène est complète ». Pendant des années, il a tenté d’expliquer les champs électriques et magnétiques à l’aide de quelque chose qui correspondrait à sa vision mécanistique du monde. En vain, hélas.

La mécanique était en vogue. Pour William Thomson, (le futur Lord Kelvin), les physiciens ne pouvaient vraiment prétendre comprendre un sujet donné que quand ils disposaient d’un modèle mécanique36. Ludwig Boltzmann, d’après son étudiant Paul Ehrenfest, « ressentait manifestement un intense plaisir esthétique quand il laissait son imagination jouer avec un embrouillamini de mouvements, de forces et de réactions interconnectés jusqu’au moment où l’on pouvait effectivement les comprendre37 ». Les générations ultérieures de physiciens se sont contentées de noter que les explications mécanistiques sous-jacentes de ce genre étaient superflues, et elles se sont habituées à travailler avec les champs.

Un demi-siècle plus tard, l’électrodynamique quantique ‒ version quantique de l’électrodynamique de Maxwell ‒ était elle aussi victime de ce qui était vu comme un défaut d’esthétique. La théorie donnait naissance à des infinités qu’il fallait écarter avec des méthodes provisoires introduites dans le seul but d’obtenir des résultats utiles. Une approche pragmatique que Dirac n’aimait pas du tout : « Les récents travaux de Lamb, Schwinger, Feynman et d’autres ont été couronnés de succès […] mais la théorie qui en découle est laide et incomplète, et on ne saurait la considérer comme une solution satisfaisante au problème de l’électron38. » Quand on lui demanda son opinion à propos des derniers développements en électrodynamique quantique, Dirac répondit : « J’aurais pu juger que ces nouvelles idées sont correctes si elles n’étaient pas aussi laides39. »

Dans les décennies qui suivirent, on a devisé de meilleurs moyens de gérer les infinités. L’électrodynamique quantique, a-t-on compris, est une théorie raisonnable, où l’on peut écarter sans ambiguïté les infinités en introduisant deux paramètres qu’il faut déterminer de façon expérimentale : la masse et la charge d’électrons. Ces méthodes de « renormalisation » sont toujours utilisées de nos jours. Et malgré la désapprobation de Dirac, l’électrodynamique quantique fait toujours partie des fondations de la physique.

Pour résumer mon incursion dans l’histoire : les critères esthétiques fonctionnent, jusqu’à ce qu’ils ne fonctionnent plus. Preuve particulièrement révélatrice de l’inefficacité de l’esthétique en tant que référence fondée sur l’expérience, aucun physicien théoricien n’a remporté deux fois le prix Nobel40.

Pourquoi faire confiance à un théoricien ?

Au moment où j’écris ces lignes, on est en décembre et je suis à Munich. Je me trouve au Centre de philosophie mathématique pour assister à une conférence qui promet de répondre à la question : « Pourquoi avoir confiance dans une théorie ? ». La rencontre est organisée par le philosophe autrichien Richard Dawid, dont le livre String Theory and the Scientific Method (La Théorie des cordes et la méthode scientifique) a semé le désarroi dans les rangs des physiciens41.

La théorie des cordes est aujourd’hui l’idée la plus populaire pour une théorie unifiée des interactions. Elle postule que l’univers et tout ce qu’il contient se compose de minuscules cordes qui vibrent, qui peuvent former des boucles ou non, s’étendre ou s’enrouler, se diviser ou fusionner. Et ça explique tout : la matière, l’espace-temps et, oui, vous aussi. Enfin, c’est l’idée générale. Pour l’heure, la théorie des cordes ne repose sur aucune donnée expérimentale. L’historien Helge Kragh, également présent à la conférence, l’a comparée à la théorie du vortex42.

Dans son livre, Richard Dawid cite la théorie des cordes comme étant un exemple du recours à « l’évaluation non empirique d’une théorie ». Ce qu’il veut dire, c’est que pour choisir une bonne théorie sa capacité à décrire une observation n’est pas le seul critère. Il soutient que certains critères qui ne reposent pas sur des observations sont aussi valides sur le plan philosophique, et il conclut qu’il faut modifier la méthode scientifique afin qu’il soit possible d’évaluer les hypothèses en fonction de critères purement théoriques. Richard fournit des exemples de cette évaluation non empirique ‒ des arguments régulièrement avancés par les théoriciens des cordes pour défendre leur théorie : (1) l’absence d’autres explications ; (2) le recours à des mathématiques qui ont déjà fonctionné auparavant ; et (3) la découverte de connexions inattendues.

Richard n’affirme pas qu’il faut utiliser ces critères, mais plutôt qu’ils sont utilisés, et il en justifie l’emploi. Les théoriciens des cordes ont apprécié le soutien du philosophe, ce qui n’est pas le cas de tout le monde.

En réaction au changement de méthode scientifique suggéré par Richard, les cosmologistes Joe Silk et George Ellis ont mis en garde contre le fait de « rompre avec des siècles de tradition philosophique, qui a toujours défini la connaissance scientifique comme étant empirique », et, dans un commentaire largement diffusé publié dans Nature, ils ont dit redouter que « la physique théorique risque de se transformer en un no man’s land entre les mathématiques, la physique et la philosophie qui ne correspondrait pas vraiment aux exigences des trois43 ».

Je peux même en rajouter. Si nous acceptons une nouvelle philosophie qui défend l’idée que l’on puisse choisir des théories sur tout sauf des faits, pour s’arrêter à la physique ? J’envisage un avenir où les climatologues choisiront leurs modèles selon des critères imaginés par quelque philosophe. Rien qu’à cette idée, j’en ai des sueurs froides.

Mais la principale raison de ma présence à cette conférence, c’est que j’espère obtenir des réponses aux questions qui m’ont attirée vers la physique. Je veux savoir comment l’univers a commencé, si le temps se compose de moments uniques, et si, effectivement, les mathématiques peuvent tout expliquer. Je ne m’attends pas à ce que des philosophes y répondent. Mais peut-être ont-ils raison, et si nous ne progressons pas, c’est parce que notre évaluation non empirique des théories est nulle.

Là où les philosophes ne se trompent pas, c’est quand ils disent que nous utilisons des critères autres que l’adéquation observationnelle pour formuler des théories. Le fait que la science opère en produisant puis en testant des hypothèses n’est qu’une facette de l’histoire. Il est tout simplement infaisable de tester toutes les hypothèses possibles. C’est pourquoi la plupart des projets scientifiques ‒ qu’il s’agisse de la préparation de diplômes, de l’évaluation par ses pairs ou de la rédaction de directives sur l’éthique scientifique ‒ passent avant tout par l’identification de bonnes hypothèses. Les critères diffèrent énormément d’un domaine à l’autre, et chaque domaine utilise ses propres filtres, mais nous en employons tous. Dans la pratique, sinon en philosophie, l’évaluation de théories pour présélectionner des hypothèses fait depuis longtemps de la méthode scientifique. Cela ne nous libère pas de l’obligation de procéder à des tests expérimentaux, mais c’est une nécessité opérationnelle indispensable si l’on veut seulement en venir à la phase expérimentale.

Par conséquent, dans les fondations de la physique, nous avons toujours choisi des théories pour des raisons autres que les résultats expérimentaux. Nous y sommes contraints, car, souvent, notre objectif n’est pas d’expliquer des données existantes, mais de développer des théories dont nous espérons qu’elles seront ensuite testées ‒ si nous parvenons à convaincre quelqu’un de le faire. Mais comment sommes-nous censés déterminer sur quelle théorie travailler avant qu’elle ait été testée ? Et comment les expérimentalistes peuvent-ils décider quelle théorie mérite d’être testée ? Bien sûr que nous en passons par l’évaluation non empirique. C’est juste que, contrairement à Richard, je ne pense pas que les critères dont nous nous servons soient très philosophiques. En fait, ils sont plutôt sociaux et esthétiques. Et je doute qu’ils soient autocorrectifs.

Nous avons déjà été trahis par les arguments de la beauté par le passé, et je crains d’être en train d’assister à un nouveau naufrage.

« Et alors ? me direz-vous. Pour finir, ça s’est toujours bien terminé, non ? » Certes. Mais outre le fait que nous aurions peut-être nettement plus progressé si les scientifiques ne s’étaient pas laissé distraire par la beauté, la physique a changé ‒ et elle ne cesse de changer. Autrefois, nous pataugions tant bien que mal parce que les données obligeaient les physiciens théoriciens à réviser leurs idéaux esthétiques erronés. Mais de plus en plus, nous avons d’abord besoin de théories pour déterminer quelles expériences seront les plus à même de révéler de nouveaux phénomènes, des expériences qui s’étendent alors sur des décennies et engloutissent des milliards de dollars. Les données ne nous viennent plus d’elles-mêmes ‒ nous devons savoir où les chercher, et nous ne pouvons pas nous offrir le luxe de chercher partout. Donc, plus les nouvelles expériences sont difficiles, plus les théoriciens doivent veiller à ne pas tâtonner à l’aveuglette, emportés par un beau rêve qui les entraînera dans une impasse. Confrontés à de nouvelles exigences, il nous faut de nouvelles méthodes. Mais lesquelles ?

J’espère que les philosophes ont un plan.

*

La conférence a lieu dans le bâtiment principal de l’université Ludwig-Maximilian de Munich, achevé à l’origine en 1840, reconstruit après avoir été en partie détruit pendant la Seconde Guerre mondiale. Le plafond est orné d’arches, le sol est de marbre, les couloirs sont flanqués de colonnades, décorés de fenêtres à vitraux et, çà et là, d’extincteurs. Dans la salle de conférences, des hommes morts nous toisent depuis leurs portraits peints à l’huile et encadrés d’or. La rencontre débute à 10 heures précises.

Gordon « Gordy » Kane, un physicien des particules américain, participe lui aussi à l’atelier. Gordy est l’auteur de plusieurs ouvrages de vulgarisation scientifique sur la physique des particules et la supersymétrie, et il est également célèbre pour ses travaux qui cherchent à rattacher la théorie des cordes au modèle standard. Il affirme qu’il peut conclure de la théorie des cordes que des particules supersymétriques ne peuvent qu’apparaître au LHC.

Pendant l’intervention de Kane, les physiciens se mettent soudain à discuter. Quelques-uns débattent avec Kane jusqu’à ce qu’un philosophe se plaigne d’une voix forte qu’il aimerait bien écouter la suite de l’intervention. « Ça fait partie de ce qu’on appelle la méthode scientifique », gronde David Gross, partisan de longue date de la théorie des cordes qui « recommande chaleureusement » le livre de Richard Dawid, avant de se rasseoir44. Des doutes subsistent quant à savoir si les prédictions de Kane découlent effectivement de la théorie des cordes ou s’il s’est servi d’autres suppositions triées sur le volet afin de reproduire ce que nous savons déjà sur le modèle standard.

Gordy exagère peut-être la rigueur de son raisonnement, mais au moins, il a les mains dans le cambouis, et il est l’un des rares à tenter de trouver un chemin qui permettrait de ramener la belle idée de la théorie des cordes à la réalité confuse de la physique des particules. Son chemin passe par la supersymétrie, élément incontournable de la théorie des cordes. Si la découverte de superpartenaires ne prouvait pas la théorie des cordes, ce serait une première étape sur la voie de son rattachement au modèle standard.

Dans son livre de 2001, Gordy décrivait la supersymétrie comme « merveilleuse, belle et unique ». À l’époque, il se disait sûr que le LHC découvrirait des superpartenaires. Son assurance reposait sur l’argument du naturel. Si l’on assume que la théorie de la supersymétrie ne contient que de jolis chiffres ‒ ni trop gros ni trop petits ‒, il est en revanche possible d’évaluer les masses des superpartenaires. « Heureusement, les masses auxquelles on s’attend sont assez réduites, ce qui laisse supposer que l’on ne va pas tarder à détecter les superpartenaires », assurait-il encore. Et d’expliquer que « les masses des superpartenaires ne peuvent pas être tellement plus importantes que la masse du boson Z0 si cette approche est valide dans son ensemble ». Ce qui signifie que si les superpartenaires existent, il y a longtemps déjà que le LHC aurait dû les voir.

*

Les estimations de Gordy reposent sur l’une des principales motivations de la supersymétrie : elle évite d’avoir à ajuster avec précision la masse du boson de Higgs, une des 25 particules du modèle standard. Cet argument est représentatif de bien d’autres du même ordre et que nous croiserons plus tard, aussi allons-nous nous y intéresser de plus près.

Le boson de Higgs est la seule particule connue de son type, et elle est affligée d’un problème mathématique curieux qui n’affecte pas les autres particules élémentaires : la contribution des fluctuations quantiques à la masse du boson de Higgs est énorme. Ces contributions sont d’ordinaire modestes, mais pour le Higgs, elles aboutissent à une masse nettement plus importante que ce que l’on observe, trop grande, en fait, d’un facteur de 1014. Non, pas une petite différence, mais un écart tel qu’il en est inadmissible**.

Si les mathématiques donnent un résultat erroné pour la masse du boson de Higgs, il est facile d’y remédier. On peut amender la théorie en soustrayant un terme afin que la différence restante donne la masse que l’on observe. Cet amendement est possible parce qu’aucun des termes n’est mesurable séparément, seule leur différence l’est. Mais pour ce faire, il faut que le terme soustrait soit délicatement choisi afin de presque annuler, mais pas totalement, la contribution des fluctuations quantiques.

Pour cette annulation délicate, on a besoin d’un nombre à quinze chiffres identique à celui engendré par les fluctuations quantiques pour les quatorze premiers chiffres, et différent au quinzième. Or, il semble tout à fait improbable que l’on tombe par hasard sur une paire de nombres si proches l’un de l’autre. Imaginez que vous tiriez des numéros d’une immense boule qui contient des billets de loterie avec tous les nombres à quinze chiffres possibles. Si vous en tirez deux qui ne diffèrent que par le dernier chiffre, vous vous direz qu’il doit y avoir une explication ‒ peut-être les billets n’ont-ils pas été bien mélangés, ou peut-être quelqu’un vous a-t-il joué un tour.

C’est ce que ressentent les physiciens face à la différence aussi minime que suspecte entre deux grands nombres, différence nécessaire pour obtenir la masse correcte du boson de Higgs ‒ elle semble avoir besoin d’une explication. Mais comme les lois de la nature n’ont rien à voir avec le tirage d’une loterie, nous n’avons aucun moyen de déterminer si ces nombres sont probables ou non. Par conséquent, la nécessité d’expliquer la masse du boson de Higgs n’est pas un fait, elle ressortit au domaine du ressenti.

Les physiciens disent d’un nombre qui semble avoir besoin d’une explication qu’il est « ajusté », tandis qu’une théorie qui ne présente pas de nombres ajustés est « naturelle*** ». Une théorie naturelle est aussi souvent décrite comme n’utilisant que des nombres proches de 1. Les deux notions de naturel sont les mêmes parce que si deux nombres sont très proches l’un de l’autre, alors leur différence est nettement inférieure à 1.

Pour résumer, les nombres qui sont très grands, très petits ou très proches ne sont pas naturels. Dans le modèle standard, la masse du boson de Higgs n’est pas naturelle, ce qui la rend laide.

La supersymétrie améliore sensiblement la situation parce qu’elle empêche les contributions trop importantes des fluctuations quantiques à la masse du boson de Higgs. Elle y parvient en appliquant l’annulation délicate requise des grandes contributions, sans en passer par un ajustement. Au lieu de cela, il n’y a que des contributions plus modérées des masses des superpartenaires. Si l’on part du principe que toutes les masses sont naturelles, alors, les premiers superpartenaires devraient apparaître à des niveaux d’énergie assez proches du boson de Higgs lui-même. Et ce, parce que si les superpartenaires sont beaucoup plus lourds que le Higgs, leurs contributions doivent être annulées par un terme ajusté afin d’obtenir une masse du Higgs plus petite. Et bien que ce soit possible, il paraît absurde de vouloir ajuster SUSY, puisqu’une des principales motivations de SUSY est justement qu’elle évite l’ajustement.

Au cas où vous vous seriez perdus dans les mathématiques quantiques, le raisonnement est le suivant : nous n’aimons pas les petits nombres, donc, nous avons inventé un moyen de nous débrouiller sans eux, et si nous ne nous sommes pas trompés, nous devrions voir de nouvelles particules. Ce n’est pas une prédiction, c’est un souhait. Et pourtant, ce raisonnement est désormais si courant que la physique des particules l’utilise sans hésiter.

C’est parce que les superpartenaires étaient censés renouer avec le problème du naturel que bon nombre de physiciens étaient convaincus que les nouvelles particules devraient apparaître au LHC. « Si SUSY existe, beaucoup de ses motivations les plus importantes exigent des particules SUSY qui se mesureront en TeV » ‒ c’est un exemple tiré d’une série de conférences de Carlos Wagner à l’institut Enrico Fermi de Chicago, que je ne cite que pour illustrer les commentaires que j’ai entendus lors de dizaines de séminaires45. « Les théoriciens adorent SUSY à cause de son élégance, a écrit Leon Lederman peu après l’entrée en service du LHC. Le LHC nous permettra d’établir si SUSY existe ou pas : même si les “squarks” et les “gluinos” [deux types de superpartenaires] pèsent autant que 2,5 TeV, le LHC les trouvera46. »

Le boson a été découvert avec une masse d’environ 125 GeV. Mais aucun superpartenaire ne s’est présenté, ni rien d’autre qui puisse être expliqué par le modèle standard. Ce qui signifie que nous savons maintenant que si les superpartenaires existent, leurs masses doivent être ajustées. Le naturel, semble-t-il, est tout simplement incorrect.

Les arguments en faveur du naturel s’étant révélés faux, les physiciens des particules ne savent plus que faire. Leur guide le plus fiable les a apparemment trahis.

*

Le LHC a injecté son premier faisceau en 2008. Alors que j’écris ces lignes, en décembre 2015, aucun signe de supersymétrie n’a été repéré, en contradiction frappante avec la prédiction de Gordy de 2001. Après des travaux de modernisation qui ont duré deux ans, le LHC a injecté un second faisceau au début de 2015, cette fois à une énergie de 13 TeV. Pour l’instant sans résultat, mais l’espoir demeure.

Je profite d’une pause pendant la conférence pour demander à Gordy ce qu’il pense de la situation actuelle. « Qu’est-ce que vous vous êtes dit quand aucun superpartenaire n’a été trouvé au LHC ?

‒ Il n’y avait aucune raison qu’ils se montrent dans le premier faisceau, me répond-il. Pas une seule motivation en dehors de cet argument naïf du naturel. Mais quand on veut vraiment une théorie qui fait des prédictions, il faut considérer la théorie des cordes. Ils ne devaient pas apparaître dans le premier faisceau. On le verra peut-être dans le second. »

Un véritable scientifique se distingue par sa capacité à s’adapter à de nouveaux résultats.

« Et s’ils ne se montrent pas non plus dans le second faisceau ?

‒ Alors, c’est que ce modèle est faux. Je ne suis pas sûr. Il faudrait que je réfléchisse longuement à ce qui ne va pas. Puisque les prédictions du modèle sont si génériques, je m’attends vraiment à ce que les superpartenaires se montrent. [Sinon,] je me pencherais de nouveau sérieusement sur les données et je me demanderais ce que l’on peut changer dans le modèle. Je n’en sais rien. Mais dans ce cas, je préférerais passer du temps à analyser pour voir si je ne trouve pas quelque chose que l’on peut changer. »

Au bout de quelques jours passés dans ce séminaire à Munich, je comprends que personne n’est en mesure de me donner des conseils pratiques sur la manière de poursuivre. Peut-être attendais-je trop des philosophes.

Ce que j’apprends, en revanche, c’est que l’idée de Karl Popper qui veut que les théories scientifiques soient falsifiables est depuis longtemps démodée. J’en suis heureuse, car c’est une philosophie que personne, dans les sciences, n’aurait pu utiliser, autrement que sur le plan rhétorique. Il est rarement possible de vraiment falsifier une idée, puisque les idées peuvent toujours être modifiées ou élargies pour correspondre à de nouveaux résultats. Plutôt que de falsifier les théories, nous les « déplausibilisons » : une théorie qui subit des adaptations constantes finit par devenir complexe et hermétique ‒ pour ne pas dire laide ‒ et, à force, les praticiens s’en désintéressent. C’est quand on ne peut plus tolérer qu’une théorie soit systématiquement remaniée afin de prendre en compte des résultats contradictoires qu’une idée se retrouve « déplausibilisée ».

« Pensez-vous que les théoriciens font effectivement attention à l’élégance d’une théorie, et qu’ils le devraient ?, demandé-je à Gordy.

‒ Oui, ils y font attention. Moi aussi, reconnaît-il. Parce que ça rend le travail plus agréable, ça garantit qu’il reste passionnant. » Il s’interrompt brièvement. « J’hésite à dire “devraient”. Je suppose que je devrais faire quelque chose qui me fait me sentir bien. Mais ce “devrais” est plus une affaire de sensation qu’un principe logique. S’il y a une meilleure façon de faire, quelqu’un devrait l’appliquer. Mais je doute qu’il y ait une meilleure façon de faire, et celle-là est très agréable. »

EN BREF

* Les scientifiques se servent de la beauté comme d’un guide depuis longtemps. Un guide qui n’a pas toujours été fiable.

* En physique théorique, les symétries ont été très utiles. Aujourd’hui, on les considère comme belles.

* Les physiciens des particules pensent également qu’une théorie est belle si elle ne contient que des nombres « naturels » ‒ des nombres proches de 1. On dit d’un nombre non naturel qu’il est « ajusté ».

* Quand on manque de données et que l’on a besoin d’une théorie pour savoir où en chercher de nouvelles, des erreurs dans le développement de la théorie peuvent aboutir à une impasse.

* Des philosophes proposent d’affaiblir la méthode scientifique afin que les chercheurs puissent sélectionner des théories selon des critères autres que la capacité d’une théorie à décrire une observation.

* Les questions de savoir comment avancer malgré le manque de données et s’il faut modifier la méthode scientifique sont d’une importance qui dépasse le cadre des fondements de la physique.

* Fearful Symmetry (« symétrie meurtrière »), référence au poème « Tigre, Ô Tigre », de William Blake (NdT).

** Rappelons que 10 à la puissance x est un 1 suivi de x zéros. Par exemple : 102 = 100 (NdA).

*** L’« ajustement » a un sens légèrement différent en cosmologie. Nous y reviendrons (NdA).

Chapitre 3

L’état de l’union

Où je résume dix ans d’éducation en une vingtaine de pages et glose sur l’époque glorieuse de la physique des particules.

Le monde selon les physiciens

Le plus étonnant, avec la physique des hautes énergies, c’est qu’on peut s’en sortir sans savoir grand-chose à son sujet.

Prenons le calcium, une des substances que l’on trouve dans nos os. L’atome de calcium se compose de 20 neutrons et 20 protons agglomérés au sein du cœur de l’atome, que l’on appelle le « noyau », entouré de 20 électrons. Les électrons sont des fermions, et ils forment des couches distinctes autour du noyau. C’est la structure de ces enveloppes qui détermine les propriétés chimiques du calcium. Mais les protons et les neutrons dans le noyau ne restent pas sans bouger, ils sont constamment en mouvement, ils glissent et s’entrechoquent, émettent et absorbent des particules chargées qui assurent leur cohésion. Le monde subatomique n’est pas calme, jamais. Pourtant, en dépit de cette agitation incessante, tous les atomes de calcium se comportent de la même façon. Et heureusement pour vous, sinon, vos os pourraient se désagréger.

Intuitivement, vous l’avez su toute votre vie, quoi que fassent les neutrons à l’intérieur des atomes ça ne doit pas être bien important, sinon, vous en auriez entendu parler. D’un point de vue conceptuel, ce manque d’influence est absolument époustouflant. Étant donné le nombre gigantesque de composants individuels, pourquoi toute cette structure subatomique n’aboutit-elle pas à un comportement extrêmement difficile à identifier ? Pourquoi les atomes sont-ils tous si semblables ? Les particules dont ils sont faits vivent chacune leur vie, mais les atomes obéissent à des lois d’une remarquable simplicité ‒ si simple qu’il est possible de joliment les arranger dans la table des éléments périodiques en se basant uniquement sur la structure de la couche électronique.

FIGURE 2. Le modèle des couches de l’atome, où les électrons [e] forment des couches séparées autour du noyau atomique, qui est composé de protons [p] et de neutrons [n]. C’est un exemple de la séparation des échelles. Ce que font les particules dans le noyau n’a aucun effet sur les couches électroniques et sur les propriétés chimiques de l’atome.

La nature, semble-t-il, satisfait obligeamment notre désir de comprendre. Ce qui se passe dans le noyau n’en sort pas ; nous n’en voyons que le résultat net. Certains atomes se lient à l’hydrogène, d’autres non ‒ mais ce qui se passe exactement dans le noyau n’a rien à voir avec ce lien. Certains atomes forment des réseaux périodiques réguliers, d’autres non ‒ et ce qui se passe dans le noyau n’a aucune influence sur la structure du réseau.

Il n’y a pas que pour les atomes que l’on peut ignorer exactement ce que font les éléments constitutifs. Les propriétés de particules composites comme les neutrons et les protons ne sont, elles non plus, presque pas affectées par le mouvement de leurs éléments, les quarks et les gluons. Et quand nous décrivons, par exemple, comment les atomes déplacent les grains de pollen à la surface de l’eau (le mouvement brownien), il suffit de considérer les atomes comme des particules à part entière et d’ignorer simplement qu’ils sont faits d’éléments plus petits. Même à des échelles plus grandes, c’est la même chose : les orbites des planètes ne dépendent pas de leur structure et ‒ si l’on va encore plus loin ‒, à l’échelle cosmologique, même les galaxies peuvent être traitées comme si elles étaient des particules sans éléments constitutifs.

Non que ce qui se passe à de courtes distances n’ait pas du tout d’effet sur ce qui se passe à de grandes distances. C’est juste que les détails n’importent pas vraiment. Les grandes choses sont faites de choses plus petites, et les lois qui régissent les grandes choses découlent de celles des choses plus petites. Ce qui est surprenant, c’est que les lois des grandes choses soient si simples.

On s’aperçoit qu’une grande partie des informations sur les petites choses ne sont pas nécessaires pour comprendre les plus grandes. Nous avons coutume de dire que la physique des courtes distances se « découple » de la physique des plus grandes distances, ou que « les échelles se séparent ». Cette séparation des échelles explique pourquoi vous pouvez vivre votre vie sans rien savoir des quarks ou du boson de Higgs, ou ‒ au grand dam des professeurs de physique du monde entier ‒ sans avoir aucune idée de ce qu’est la théorie quantique des champs.

Cette séparation des échelles a de formidables conséquences. Elle signifie que l’on peut concevoir des lois de la nature approximatives qui, avec une bonne précision, décrivent un système avec une résolution donnée, puis réviser ces lois au fur et à mesure que nous augmentons la résolution. Les lois approximatives, qui ne sont efficaces qu’à une certaine résolution, sont dites « lois effectives ».

Quand on diminue la résolution, il est alors souvent pratique d’adapter les objets dont traite la théorie, de même que les propriétés que nous leur attribuons. Dans la théorie à basse résolution, il peut sembler plus logique de rassembler de nombreux composants de petite taille en un seul objet de grande taille, de nommer ce dernier et de lui attribuer des propriétés. De cette façon, nous pouvons parler des atomes et de la structure de leurs couches, des molécules et de leurs modes de vibration, et des métaux et de leur conductivité ‒ alors même que dans la théorie sous-jacente on ne trouve ni atomes ni métaux ou leur conductivité, mais seulement des particules élémentaires.

Chaque niveau de résolution a son propre langage, qui correspond à la formulation la plus pratique à ce niveau. On les appelle des objets dépendants de la résolution, et leurs propriétés sont dites « émergentes ». Le processus qui relie la théorie pour les distances courtes à celle pour les distances plus importantes est également défini comme l’« agraindissement » (figure 3).

« Émergent » est l’opposé de « fondamental », qui veut dire qu’un objet ne peut plus être décomposé et que ses propriétés ne peuvent pas être déduites d’une théorie plus précise. Le fondamental correspond à l’état actuel de nos connaissances. Ce qui est fondamental aujourd’hui ne le sera peut-être plus demain. Ce qui est émergent, en revanche, le restera.

La matière est faite de molécules, elles-mêmes composées d’atomes, lesquels consistent en particules du modèle standard. Les particules du modèle standard, l’espace et le temps sont, pour ce que l’on en sait aujourd’hui, fondamentaux ‒ ils ne sont pas faits d’autre chose. Dans les fondations de la physique, nous cherchons à découvrir s’il n’y a pas quelque chose d’encore plus fondamental.

En tant que physicienne, je suis souvent accusée de réductionnisme, comme si c’était un choix de ma part. Or, ce n’est pas une philosophie ‒ c’est une propriété de la nature, révélée par les expériences. Nous avons déduit ces niveaux de résolution et leurs lois d’innombrables observations et découvert qu’ils décrivaient idéalement notre monde. La théorie effective nous dit que nous pouvons, en principe, déduire la théorie pour les grandes échelles de la théorie pour les échelles réduites, mais que cela ne fonctionne pas dans l’autre sens.

FIGURE 3. Illustration de l’agraindissement. Les objets à basse résolution et leurs lois (niveau 1) peuvent être décrits par les objets à moyenne ou haute résolution (niveaux 2 et 3), mais pas l’inverse. Les niveaux à basse résolution émergent de niveaux à plus haute résolution.

C’est parce que l’histoire de la science a lentement révélé cette structure hiérarchique qu’aujourd’hui de nombreux physiciens pensent qu’il doit y avoir une théorie fondamentale dont vient tout le reste ‒ une « théorie de tout ». Un espoir compréhensible. Si ça faisait un siècle que vous suciez un bonbon géant, vous espéreriez sans doute enfin en atteindre le cœur moelleux.

Tout est fluide

Les lois effectives qui dépendent de la résolution nous offrent un autre moyen de voir pourquoi le naturel est agréable. Pour cela, les physiciens attribuent à chaque théorie un espace dans un « espace des théories » abstrait. Qui permet de visualiser les relations entre différentes théories. Puisque ces dernières dépendent de la résolution, chacune trace une courbe dans l’espace des théories si la résolution change (figure 4). Les courbes de toutes les théories prises ensemble sont définies comme le « flux » des théories.

FIGURE 4. Chaque point dans l’espace de la théorie est une théorie différente. Si l’on modifie la résolution, on peut tracer une courbe. Les chiffres font référence aux niveaux de la figure 3.

Dans l’espace des théories, le naturel implique qu’une théorie à basse résolution ne devrait pas sensiblement dépendre de la théorie à haute résolution (censée être plus fondamentale). L’idée étant que quels que soient les paramètres que l’on choisit pour la théorie à haute résolution plus fondamentale, à basse résolution, la physique devrait ressembler à ce que l’on a observé. C’est la motivation d’origine du naturel : notre choix ne devrait pas compter.

Le flux dans l’espace des théories permet de quantifier avec précision comment une théorie à basse résolution dépend du choix des paramètres à haute résolution. C’est comme ça que fonctionnent les mesures de Giudice*. L’idée est illustrée par la figure 5. Dans cette figure, la basse résolution est ce que l’on peut sonder aujourd’hui ‒ c’est là que nous avons le modèle standard. Il peut paraître curieux de parler là de « basse résolution », sachant qu’il s’agit de la plus haute résolution que nous ayons jamais atteinte ; Mais elle est basse par rapport à la résolution que nous estimons nécessaire pour révéler une théorie de tout, considérée comme étant hors d’atteinte même du LHC.

Le modèle standard (à basse résolution) est naturel ou n’est pas ajusté s’il n’est pas important de savoir exactement où nous démarrons à haute résolution dans l’espace des théories. Dans ce cas, le flux nous amènera toujours à un endroit proche du modèle standard (autrement dit : qu’il est possible de mesurer avec précision) (figure 5, à gauche). Si, en revanche, nous devons choisir précisément la théorie à haute résolution pour nous retrouver le plus près possible du modèle standard, alors, il nous faut ajuster le point de départ. Dans ce cas, le modèle standard n’est pas naturel (figure 5, à droite).

Dans la configuration ajustée, les points de départ des théories qui reproduisent le modèle standard (autrement dit : qui concordent avec les observations) doivent être proches les uns des autres. Cette courte distance correspond aux petits nombres hideux que nous avons évoqués précédemment, comme la masse du boson de Higgs.

FIGURE 5. Illustration du flux dans l’espace des théories dans le cas où la théorie (p. ex., le modèle standard, marqué d’un X) à basse résolution est naturelle/non ajustée (à gauche), et quand elle est non naturelle/ajustée (à droite).

Dans la partie suivante, je vais résumer les lois de l’espace, du temps et de la matière que nous avons découvertes jusqu’à présent, et le type d’expériences qui les a révélées. Si le modèle standard et le modèle de concordance n’ont déjà plus de secrets pour vous, je vous conseille de passer directement à la fin de cette partie.

Les outils du métier

En 1858, Fitz-James O’Brien, auteur américain d’origine irlandaise, imagina le microscope parfait. Dans sa nouvelle, La Lentille de diamant, Linley, le microscopiste fou, invoque l’esprit d’Antonie Van Leeuwenhoek qui, deux cents ans plus tôt, avait découvert les bactéries en travaillant à améliorer les tout premiers microscopes1. Van Leeuwenhoek est célèbre pour, toute sa vie durant, avoir jalousement préservé le secret de la fabrication de ses lentilles. Avec l’aide d’une médium, Mme Vulpes, Linley apprend du défunt Van Leeuwenhoek qu’il faut « un diamant de cent quarante carats, soumis à des courants électromagnétiques pendant une longue période » pour construire un microscope « dont le pouvoir grossissant ne devrait avoir pour seule limite que la résolution de l’objet ».

Ne disposant pas de moyens financiers suffisants, Linley assassine un ami et vole le diamant nécessaire. Puis il observe l’intérieur d’une goutte d’eau :

« Je ne peux, n’ose point tenter d’inventorier les charmes de la révélation divine de la beauté parfaite. Ces yeux d’un mauve mystique, ingénus et sereins, échappent à mes mots. Ses longs cheveux lustrés forment un sillage doré qui suit sa tête glorieuse, tel celui que trace dans les cieux une étoile filante, et leur splendeur étouffe les flammes même de mes phrases les plus brûlantes. »

Il reste à voir si la nature contemplée de si près est aussi belle que l’imaginait O’Brien, mais on sait déjà que son microscope idéal ne sera jamais que de la fiction. Le pouvoir de résolution des lentilles dépend du messager dont elles ont besoin : la lumière. Les grandes longueurs d’onde ne sont pas sensibles aux courtes distances, un peu comme des chaussures de marche ne permettent pas de sentir les rainures des marches d’un escalier mécanique. La résolution des microscopes est limitée par la longueur d’onde de la lumière utilisée, et pour sonder des distances plus courtes, il nous faut des ondes plus courtes.

La lumière a une longueur d’onde d’environ 400 à 700 nanomètres**. C’est à peu près 10 000 fois plus grand qu’un atome d’hydrogène. Donc, la lumière visible fonctionne bien si on veut étudier des cellules, mais elle ne suffit pas pour étudier des atomes. On peut obtenir une meilleure résolution en utilisant de la lumière qui a des longueurs d’onde plus courtes, comme les rayons X, qui améliorent de 100 à 10 000 fois ce que l’on peut atteindre avec la lumière visible. Mais plus la lumière émet des ondes courtes, plus elle est difficile à manipuler et à contrôler.

Par conséquent, pour améliorer encore la résolution, il faut s’inspirer de la leçon essentielle de la mécanique quantique : il n’y a pas vraiment d’ondes, et il n’y a pas vraiment de particules. Au lieu de cela, tout, dans l’univers (y compris l’univers lui-même, pour ce que l’on en sait), est décrit par une fonction d’onde qui présente les propriétés aussi bien des particules que des ondes. Parfois, cette fonction d’onde ressemble davantage à une onde, parfois plutôt à une particule. Mais fondamentalement, elle n’est ni l’une ni l’autre ‒ c’est une nouvelle catégorie à part entière.

Donc, au sens strict du terme, nous ne devrions pas parler du tout de « particules élémentaires », et c’est pour cela qu’un de mes professeurs nous a suggéré d’utiliser plutôt l’expression « choses élémentaires ». Mais personne ne le fait, et je ne veux pas vous torturer avec ça non plus. Gardez simplement à l’esprit que chaque fois que des physiciens évoquent des particules ils font en réalité référence à un objet mathématique, la fonction d’onde, qui n’est ni une particule ni une onde, mais a les propriétés des deux.

La fonction d’onde en elle-même ne correspond pas à une quantité observable, mais à partir de sa valeur absolue, il est possible de calculer des probabilités pour la mesure d’observables physiques. C’est le mieux que nous puissions faire avec la théorie quantique ‒ sauf dans certaines circonstances particulières, le résultat d’une seule mesure est imprévisible.

La théorie quantique nous aide à améliorer la résolution des microscopes parce qu’elle révèle que plus une particule (une chose ?) est lourde, plus elle se déplace rapidement, et plus sa longueur d’onde est courte. Donc, les microscopes électroniques, qui utilisent des faisceaux d’électrons plutôt que la lumière, atteignent des résolutions nettement supérieures aux microscopes à lumière. Si les électrons subissent une accélération même modeste, à l’aide de champs électriques et magnétiques, les microscopes de ce type peuvent observer des structures aussi petites qu’un atome. En principe, il est possible d’augmenter arbitrairement cette résolution en accélérant encore les électrons. C’est la raison fondamentale pour laquelle la physique moderne est à la fois à l’origine de la construction d’accélérateurs de particules toujours plus grands, et pourquoi elle en dépend : davantage d’énergie due aux collisions est synonyme de la possibilité d’explorer des distances toujours plus courtes.

Contrairement aux microscopes classiques, qui utilisent des miroirs et des lentilles, les accélérateurs de particules ont recours à des champs électriques et magnétiques pour accélérer et focaliser des faisceaux de particules chargées électriquement. Mais quand on accélère les particules pour étudier un objet, il devient de plus en plus difficile d’extraire des informations des mesures enregistrées. Cela est dû au fait que les particules censées permettre l’étude de l’objet finissent par l’altérer de façon constatable. La lumière visible braquée sur une tranche d’oignon ne fera pas grand-chose à l’oignon, tout au plus le réchauffera-t-elle légèrement. Alors qu’un faisceau d’électrons en accélération qui vise une plaque finira, à un niveau d’énergie suffisant, par la détruire. Ainsi, l’information sur ce qui s’est passé à très courte distance se trouve dans les débris. Et c’est, en gros, ce que fait la physique des hautes énergies : elle s’efforce d’extraire des informations des débris des collisions. Aux plus hauts niveaux d’énergie, les physiciens ne tirent pas des particules sur des cibles, ils se contentent de faire entrer en collision deux faisceaux de particules. Cela donne des signaux plus nets tout en augmentant l’énergie totale de la collision.

La résolution qu’il est possible d’atteindre avec des accélérateurs est inversement proportionnelle à l’énergie totale des particules en collision. Il y a un repère facile à garder en mémoire : une énergie de 1 GeV (soit 109 eV ou 10-3 TeV, à peu près la masse d’un proton) correspond à une distance de résolution d’environ 1 femtomètre (10-15, à peu près la taille d’un proton). Quand l’énergie augmente, la distance décroît, et vice versa. Le LHC a été conçu pour atteindre une énergie de collision maximale d’environ 10 TeV. Ce qui correspond à près de 10-19 m, la distance la plus courte à laquelle nous avons testé les lois de la nature ‒ jusqu’à présent.

Les physiciens théoriciens ont pour tâche de trouver les équations qui décrivent avec exactitude les résultats des collisions de particules. Quand un calcul correspond aux données, notre confiance dans la théorie croît. Quand les physiciens théoriciens comprennent mieux les collisions de particules, les expérimentalistes peuvent concevoir des détecteurs avec plus d’efficacité. Et quand les expérimentalistes comprennent mieux la technologie des accélérateurs, les théoriciens obtiennent de meilleures données.

Cette stratégie a connu un succès phénoménal et a abouti au modèle standard de la physique des particules, ce que nous connaissons aujourd’hui de mieux sur les blocs constitutifs élémentaires de la matière.

Le modèle standard

Le modèle standard est fondé sur un principe appelé la « théorie de jauge ». Conformément à ce principe, chaque particule a une direction dans un espace interne, un peu comme une aiguille sur une boussole, sauf que l’aiguille ne pointe nulle part.

« Un espace interne ? Mais c’est quoi, ça ? », vous demandez-vous. Bonne question. Et la meilleure réponse qui me vienne, c’est « utile ». C’est ce que nous avons inventé pour quantifier le comportement observé des particules, un outil mathématique qui nous aide à faire des prédictions.

« Oui, mais ça existe ? » Voilà ce que vous voulez savoir. Houlà. Ça dépend à qui on demande. Certains, parmi mes collègues, sont effectivement convaincus que les mathématiques de nos théories, comme ces espaces internes, sont vraies. Personnellement, je préfère me contenter de dire que ça décrit la réalité, laissant ouverte la question de savoir si les mathématiques elles-mêmes sont réelles. Comment les mathématiques sont rattachées à la réalité est un mystère qui hantaient les philosophes bien avant l’apparition des scientifiques, et nous n’en savons pas plus aujourd’hui. Mais heureusement, nous n’avons pas besoin de résoudre ce mystère pour nous servir des mathématiques.

Donc, chaque particule a une direction dans cet espace interne utile. Ce que nous appelons une théorie de jauge exige alors que les lois de la nature ne dépendent pas des étiquettes que nous utilisons pour identifier cet espace ‒ comme si l’on pouvait modifier une boussole pour que l’aiguille pointe vers le nord-ouest plutôt que vers le nord. Avec un tel changement, une particule de nord pourrait se transformer en une combinaison d’autres particules, pour devenir, par exemple, une particule de nord-ouest. C’est d’ailleurs ce qui se produit avec un électron : une modification dans son espace interne peut le métamorphoser en un mélange d’électron et de neutrino. Mais si cette transformation est une symétrie, alors le mélange de particules ne devrait pas en altérer la physique. Les exigences de la symétrie limitent par conséquent les lois qu’il nous est possible de consigner. C’est une logique comparable à celle du coloriage d’un mandala. Si vous voulez que les couleurs respectent la symétrie du dessin, vous vous retrouvez avec moins de possibilités que si vous décidez d’ignorer la symétrie.

En ce qui concerne les lois de la nature, les exigences de cette dernière ne sont pas faciles à satisfaire. Ce qui complique considérablement les choses, c’est que l’espace interne peut être différent d’un moment à l’autre et d’un endroit à l’autre, et que cela ne devrait pas affecter les lois qui régentent les particules. Si nous formulons ces exigences de symétrie sous une forme mathématique, nous voyons qu’elle établit entièrement comment les particules doivent se comporter. L’interaction entre les particules qui obéissent à la symétrie doit être modulée par une autre particule dont les propriétés sont déterminées par le type de symétrie impliqué. Cette particule additionnelle est appelée le boson de jauge de la symétrie.

Le paragraphe ci-dessus condense un raisonnement extrêmement mathématique, et il ne vous laissera qu’une impression grossière de son fonctionnement. Mais l’avantage, c’est que si l’on veut élaborer une théorie qui maintient (se mesure par) une certaine symétrie, alors, cela donne nécessairement naissance à un type précis d’interaction entre les particules qui respecte la symétrie. De plus, les exigences de la symétrie ajoutent de façon automatique les bosons de jauge chargés qui les accompagnent forcément. C’est ce type de symétrie de jauge qui sous-tend le modèle standard.

FIGURE 6. Le modèle standard de la physique des particules.

Il est à noter que le modèle standard fonctionne presque totalement en fonction de principes de symétrie de ce genre. Il associe la force électromagnétique à l’interaction forte (responsable de la cohésion des noyaux atomiques face à la répulsion électrique) et à l’interaction faible (responsable de la radioactivité). Pour chacune de ces trois interactions, on trouve une symétrie de jauge, et toutes les particules sont classées en fonction de l’action de la symétrie sur elles.

(Je vous ai dit que l’on se souciait davantage des idées que des particules, mais puisque ce sont des particules que l’on mesure, vous trouverez un rapide résumé dans l’Appendice A, et un tableau en figure 6.)

Le modèle standard est une délicate création des mathématiques abstraites, une théorie quantique des champs avec des symétries de jauge. Autrefois, quand je le disais, je croyais que ça me donnait un air particulièrement cultivé. Puis je me suis aperçue qu’en général ce qui est incompréhensible suscite la méfiance. Comment pouvons-nous être sûrs que tout est fait de seulement 25 particules, alors que nous ne sommes pas capables de voir la plupart d’entre elles ?

La réponse est assez simple. Nous nous servons de toutes ces mathématiques pour calculer le résultat d’expériences, et ces calculs décrivent adéquatement les observations. C’est comme ça que nous savons qu’une théorie fonctionne. Du reste, c’est ce que nous voulons dire quand nous affirmons qu’une « théorie fonctionne ». Oui, c’est abstrait, mais le fait que nous ne voyons que les résultats de détecteurs et pas les particules elles-mêmes n’est qu’un inconvénient sans importance. La seule chose qui compte, c’est que nous obtenions le bon résultat.

Que le modèle standard soit un type de théorie quantique des champs a l’air plus effrayant que ça ne l’est en réalité. Un champ est quelque chose qui attribue une valeur à chaque point dans l’espace et chaque moment dans le temps. Par exemple, la force du signal de votre téléphone portable définit un champ. Quand on dit d’un champ qu’il est quantique, cela signifie que le champ décrit en réalité la présence de particules, or nous l’avons vu plus tôt, les particules sont des choses quantiques. Le champ quantique lui-même vous dit quelle chance vous avez de trouver une particule donnée à un endroit donné à un moment donné. Et les équations de la théorie quantique des champs vous expliquent comment le calculer.

Outre les symétries de jauge, le modèle standard utilise également les symétries révélées par Albert Einstein dans sa théorie de la relativité restreinte. D’après Einstein, les trois dimensions de l’espace et la dimension du temps doivent être combinées en un espace-temps quadridimensionnel, et il faut traiter de la même façon l’espace et le temps. Donc, les lois de la nature : (1) doivent être indépendantes du lieu et du moment où vous les mesurez ; (2) ne doivent pas changer lors de rotations dans l’espace ; et (3) ne doivent pas changer lors de rotations généralisées entre l’espace et le temps.

Une rotation de l’espace-temps n’a pas l’air d’être une bonne chose, mais en fait, ce n’est qu’un changement de vélocité. C’est pourquoi les livres de vulgarisation scientifique sur la relativité restreinte sont souvent pleins de fusées et de satellites qui s’entrecroisent. Mais tout cela n’est que de la décoration superflue. La relativité spéciale découle des trois symétries citées ci-dessus, sans jumeaux dans des vaisseaux spatiaux***, horloges laser et autres. Il se trouve aussi que tous les observateurs s’entendent sur la vitesse des particules sans masse (comme les photons, qui transportent la lumière) et que rien ne peut dépasser cette vitesse. En d’autres termes, il s’ensuit que rien ne peut voyager plus vite que la lumière****.

Les symétries de jauge et les symétries de la relativité restreinte dictent l’essentiel de la structure du modèle standard, mais ce dernier présente certaines caractéristiques que nous n’avons pas (encore ?) été capables d’expliquer à l’aide des symétries. L’une d’elles, par exemple, est que les fermions existent en trois générations, qui sont des séries de particules similaires, mais avec des masses de plus en plus importantes (la première génération contient les fermions les plus légers, la troisième les plus lourds, la deuxième se situe entre les deux). Autre caractéristique inexpliquée, chaque type de fermion existe en deux versions qui sont des reflets l’un de l’autre, et que l’on définit comme « gauchers » et « droitiers » respectivement ‒ à l’exception des neutrinos, dont personne n’a jamais vu de version droitière. Mais nous reverrons plus en détail ce qui se passe avec le modèle standard dans le chapitre 4.

Le développement du modèle standard a commencé dans les années 1960, et il était pour l’essentiel achevé à la fin des années 1970. Outre les fermions et les bosons de jauge, il n’y a qu’une autre particule dans le modèle standard : le boson de Higgs, qui confère des masses aux autres particules élémentaires2. Le modèle standard fonctionne sans le boson de Higgs. Cela ne décrit simplement pas la réalité, car dans ce cas, toutes les particules sont dépourvues de masse. Sheldon Glashow a donc un jour élégamment décrit le boson de Higgs comme étant la « chasse d’eau » du modèle standard ‒ il a été inventé pour une raison précise, pas parce qu’il est joli3.

Le boson de Higgs, dont l’existence a été postulée indépendamment par plusieurs chercheurs au début des années 1960, a été la dernière particule fondamentale à être découverte (en 2012), mais il n’est pas la dernière à avoir été prédite. Les dernières à l’être, en 1973, sont les quarks top et bottom, dont l’existence a été confirmée expérimentalement en 1995 et 1977 respectivement. À la fin des années 1990, les masses des neutrinos ‒ dont la théorie remonte aux années 1950 ‒ ont été ajoutées après avoir été confirmées par des expériences. Mais depuis 1973, il n’y a plus eu une seule prédiction à même de supplanter le modèle standard.

*

Le modèle standard est actuellement notre meilleure réponse à la question : « De quoi sommes-nous faits ? ». Mais il ne prend pas la gravité en compte. Et ce, parce que les physiciens des particules n’ont pas besoin de la prendre en compte quand ils se livrent à des prédictions pour les expériences impliquant des accélérateurs : les masses des particules élémentaires individuelles sont minuscules, de même que leur force gravitationnelle. La gravité est la force dominante sur les longues distances, mais sur les courtes distances qu’explorent les collisions de particules, elle est négligeable, pour ne pas dire impossible à mesurer. Toutefois, si toutes les autres forces peuvent se neutraliser, ce n’est pas le cas de la gravité. Si, pour les grands objets, toutes les autres forces se neutralisent et deviennent à peine mesurables, la force gravitationnelle s’ajoute et devient mesurable.

La gravité se distingue également des autres interactions parce que dans nos théories actuelles, elle est la seule force (fondamentale) qui n’ait pas de propriétés quantiques. C’est une force non quantique, « classique ». Nous verrons au chapitre 7 quels problèmes cela engendre, mais tout d’abord, laissez-moi vous raconter ce que nous savons de la gravité et comment nous l’avons découverte.

Si les physiciens des particules construisent de plus grands collisionneurs pour voir à des distances de plus en plus rapprochées, les astronomes, eux, construisent des télescopes plus grands pour voir toujours plus loin4. Les premiers télescopes ont été développés en même temps que les premiers microscopes, mais la conception des instruments s’est rapidement spécialisée. Et dans ce domaine-là aussi, la théorie et l’expérience ont progressé de concert.

Puisque la lumière d’objets stellaires lointains nous parvient en quantité très limitée, les astronomes se sont dotés de télescopes avec des ouvertures plus larges ou de plus grands miroirs pour récolter autant de lumière que possible. Une méthode qui n’a pas tardé à trouver ses limites, parce que les gigantesques appareils sont devenus impossibles à manipuler. Mais la donne a complètement changé au milieu du XIXe siècle avec le développement des plaques photographiques. Désormais, les astronomes pouvaient récolter la lumière sur de longues périodes d’exposition. Mais puisque la Terre se déplace, ces longues phases d’exposition risquaient d’avoir pour résultat des traînées de lumières, à moins d’intégrer aux télescopes un mécanisme capable de compenser ce phénomène, ce qui, bien sûr, nécessitait de comprendre le mouvement en question. Par conséquent, plus les astronomes en ont appris sur les étoiles, plus ils progressèrent dans leur capacité à les observer.

De nos jours, les astronomes ne capturent plus d’images sur des plaques photographiques, mais sur des dispositifs à transfert de charges ‒ les cœurs électroniques d’appareils photo numériques. Les télescopes modernes sont si sensibles qu’ils peuvent détecter des photons individuels, et le temps d’exposition atteint parfois des millions de secondes (plus d’une semaine)5. Et bien sûr, les télescopes continuent d’être de plus en plus énormes : nous disposons maintenant de machines puissantes capables de déplacer de gigantesques miroirs, qui sont eux-mêmes ajustés par des milliers de petits moteurs pour empêcher les déformations dues à la gravité et aux changements de températures. Les supercalculateurs, ainsi que des mesures du temps d’une extraordinaire précision, ont permis à des télescopes très éloignés les uns des autres de fonctionner ensemble, ce qui, en fait, revient à créer des télescopes encore plus grands. Pour répondre aux fluctuations atmosphériques qui brouillent les images, les astronomes utilisent maintenant l’« optique adaptative », un code informatique qui réajuste les télescopes en réaction aux effets atmosphériques. Ou ils évitent totalement les distorsions atmosphériques en montant des télescopes sur des satellites et en les lançant dans l’espace.

La portée de ce que l’on peut voir s’est accrue, de la lumière visible aux grandes longueurs d’onde des infrarouges, les micromètres et les spectres radio, et aux longueurs d’onde courtes comme les rayons X et les rayons gamma. Et la lumière n’est pas le seul messager que nous utilisons pour étudier le cosmos. D’autres particules, dont les neutrinos, les électrons et les protons, racontent elles aussi des histoires sur les sources d’où elles viennent, et sur ce qui leur est arrivé durant leur voyage jusqu’à la Terre. Le dernier exploit en date des astronomes a été la détection directe des ondes gravitationnelles, qui sont des perturbations de l’espace-temps lui-même. Elles comportent des informations sur les événements, souvent violents, qui leur ont donné naissance, comme la fusion de trous noirs.

En combinant ces méthodes, les astronomes ont pu remonter le temps et voir jusqu’à une époque où le monde n’était âgé que de 300 000 ans, et jusqu’à des distances de 10 milliards d’années-lumière. Les données sont complètement différentes de celles que fournit la physique des collisionneurs. Mais pour nous autres théoriciens, la mission est la même : il s’agit d’expliquer les mesures.

Le modèle de concordance

La meilleure explication dont nous disposions aujourd’hui pour les mesures des astronomes est ce que nous appelons le « modèle de concordance cosmologique6 ». Ce modèle s’appuie sur les mathématiques de la relativité générale, selon laquelle nous vivons dans trois dimensions spatiales et une dimension temporelle ; et de plus, cet espace-temps est courbe.

Je sais, difficile d’imaginer un espace-temps quadridimensionnel courbe ‒ vous n’êtes pas les seuls. Fort heureusement, sous bien des aspects, les surfaces en deux dimensions offrent des analogies pratiques. La relativité restreinte traite l’espace-temps comme une feuille de papier. Mais dans la relativité générale, en revanche, l’espace-temps peut avoir des collines et des vallées.

Pour poursuivre cette analogie, si vous avez une carte d’un paysage de montagne qui n’indique pas les altitudes, les routes sinueuses vous paraîtront absurdes. Mais si vous savez qu’il y a des montagnes, vous comprenez pourquoi les routes tournent comme ça ‒ dans un terrain pareil, c’est le mieux qu’elles puissent faire. Nous sommes incapables de percevoir la courbure de l’espace-temps, et c’est comme si nous étions équipés d’une carte où les altitudes ne seraient pas portées. Si vous pouviez voir la courbure de l’espace-temps, vous comprendriez qu’il est tout à fait logique que les planètes tournent autour du Soleil. C’est le mieux qu’elles puissent faire.

La relativité générale est fondée sur les mêmes symétries que la relativité restreinte. La différence tient au fait que dans la relativité générale l’espace-temps devient réactif ; il réagit à l’énergie et à la matière en se courbant. En retour, le mouvement de l’énergie et de la matière dépend de la courbure.

Mais la courbure ne se contente pas de changer d’un endroit à l’autre, elle change aussi avec le temps. Par conséquent, et c’est ce qui importe le plus, la relativité générale nous a appris que l’univers n’est pas éternellement immuable. Il s’étend en réaction à la matière, et à cause de cette expansion, la matière se fait de plus en plus rare.

L’expansion de l’univers signifie que la matière, autrefois, a dû être comprimée. L’univers primitif était donc rempli d’une soupe de particules très dense, mais presque homogène. Une soupe brûlante, ce qui veut dire que l’énergie moyenne des collisions de particules individuelles était élevée. Cela pose problème, car si la température dépasse environ 1017 kelvins, alors l’énergie moyenne d’une collision dépasse celle qui est actuellement testée au LHC7. Pour des températures plus élevées, c’est-à-dire pour un univers plus jeune, nous ne disposons d’aucune information fiable sur le comportement de la matière. Il y a des spéculations, évidemment, et nous en évoquerons quelques-unes dans les chapitres 5 et 9. Mais pour l’heure, concentrons-nous sur ce qui se produit en dessous de cette température, ce qu’explique le modèle de concordance.

La relativité générale nous fournit les équations qui rattachent l’expansion de l’univers aux types d’énergie et de matière qui s’y trouvent. Les cosmologistes peuvent donc découvrir ce qu’il y a dans l’univers en essayant différentes combinaisons de matière et d’énergie et en voyant laquelle fonctionne le mieux pour expliquer les observations (ou plutôt, ils confient la tâche à un ordinateur). C’est ainsi qu’ils procèdent à chaque nouvelle observation. Et croyez-moi, ils sont tombés sur quelques surprises ;

La découverte la plus stupéfiante est que la source dominante actuelle de gravité dans l’univers ne correspond à rien de ce que l’on avait rencontré jusque-là. C’est un type d’énergie inconnue, surnommée l’« énergie noire », et elle représente 68,3 % du budget total énergie-matière, une proportion incroyable. Nous ne savons pas si l’énergie noire est dotée d’une substructure microscopique, nous savons seulement quel effet elle a. L’énergie noire accélère l’expansion de l’univers. C’est pourquoi nous en avons besoin en si grande quantité, parce que les données montrent que l’expansion de l’univers va s’accélérant. Cependant, l’énergie noire est aussi étirée en très petites quantités, si bien que nous ne pouvons pas la mesurer dans notre voisinage immédiat. Ce n’est que sur de grandes distances que l’on constate son effet net, par l’accélération de l’expansion.

Le type le plus simple d’énergie noire est la constante cosmologique, qui n’a aucune substructure et est constante tant dans l’espace que dans le temps. Une constante cosmologique est ce que le modèle de concordance utilise comme énergie noire, mais elle pourrait être quelque chose de plus compliqué.

Les 31,7 % restants de ce qui constitue l’univers sont la matière, mais ‒ nouvelle surprise ‒, pour l’essentiel, il ne s’agit pas du genre de matière dont nous sommes familiers. Au lieu de cela, 85 % de la matière (26,8 % du budget total énergie-matière) est ce que l’on appelle de la « matière noire ». La seule chose que l’on sait sur la matière noire, c’est qu’elle entre rarement en interaction, que ce soit avec elle-même ou avec une autre matière. En particulier, elle n’interagit pas avec la lumière, d’où son nom. Certaines particules supersymétriques se comportent comme le devrait la matière noire, mais nous ne savons pas encore si c’est la bonne explication.

Les 15 % restants de la matière dans l’univers (4,9 % du budget total énergie-matière) sont des particules stables du modèle standard ‒ des trucs comparables à ce dont nous sommes faits (figure 7).

Une fois que l’on sait quel type d’énergie et de matière remplit l’univers, on peut reconstituer son passé. Dans l’univers primitif, l’énergie noire (sous la forme d’une constante cosmologique) existait en quantité négligeable par rapport à la matière. Cela s’explique parce que la densité de la matière diminue au fur et à mesure de l’expansion de l’univers, alors qu’une constante cosmologique, elle, reste, eh bien, constante.

FIGURE 7. L’énergie contenue dans l’univers pour les gens qui n’aiment pas les camemberts.

Donc, si elles sont aujourd’hui comparables, avec un ratio de l’ordre de 2 pour 1, alors, dans l’univers primitif, la densité de la matière a dû être beaucoup plus importante que la densité de l’énergie de la constante cosmologique.

Ainsi, à 1017 kelvins, nous démarrons avec une soupe presque entièrement composée de matière et de matière noire. L’espace-temps réagit à cette matière en commençant à s’étendre, ce qui refroidit la soupe et permet la formation des premiers noyaux atomiques, puis des atomes légers. Au début, la soupe de particules est si dense qu’aucune lumière n’y est capturée. Mais une fois que les atomes se forment, la lumière peut se déplacer presque sans être gênée.

La matière noire, puisqu’elle n’interagit pas avec la lumière, se refroidit plus vite que la matière normale. Dans l’univers primitif, la matière noire est donc la première à commencer à s’amasser sous l’effet de sa propre force gravitationnelle. De fait, sans ce regroupement primitif de la matière noire, les galaxies ne se formeraient pas telles que nous les observons, car la force gravitationnelle de la matière noire déjà en amas est nécessaire pour accélérer le regroupement de la matière normale. Et ce n’est que quand assez de matière normale s’est amassée que la formation de grands noyaux atomiques peut débuter dans les cœurs stellaires.

Pendant des milliards d’années, mues par la force gravitationnelle, les galaxies s’assemblent, des systèmes solaires se forment, des étoiles s’allument. Jusque-là, l’univers était en expansion, même si l’expansion avait commencé à ralentir. Mais à peu près au moment où les galaxies sont pleinement formées, l’énergie noire prend le dessus et le taux d’expansion de l’univers se met à accélérer. C’est cette période que nous sommes en train de vivre. À partir de maintenant, la matière ne fera que continuer à se diluer. Donc, si l’énergie noire est une constante cosmologique, elle continuera à dominer, et l’expansion de l’univers restera éternellement en accélération.

La longueur d’onde de la première lumière à s’être échappée de la soupe de particules de l’univers primitif s’est étirée avec l’expansion de l’univers, mais elle est toujours là. Sa longueur d’onde n’est plus que de quelques millimètres, très au-delà de la gamme visible, et plutôt située dans la gamme des micro-ondes. Ce fond de micro-ondes cosmologique (CMB), ou fond diffus cosmologique, est mesurable, et il constitue la source d’information la plus précieuse pour les cosmologistes.

La température moyenne du CMB est d’environ 2,7 kelvins, pas très loin du zéro absolu. Mais autour de cette température moyenne existent d’infimes déviations, de quelque 0,003 % de la température absolue. Ces déviations proviennent de points qui étaient un peu plus chauds ou un peu plus froids que la moyenne dans l’univers primitif. Les fluctuations dans la température du CMB encodent donc des fluctuations de la soupe primordiale brûlante qui a accouché des galaxies.

Forts de cette connaissance, nous pouvons utiliser le fond diffus cosmologique pour déduire l’histoire de l’univers, comme je l’ai décrite ci-dessus. D’autres données nous sont fournies par l’observation de la répartition des galaxies, diverses mesures de l’expansion de l’univers, l’abondance d’éléments chimiques, et les lentilles gravitationnelles, pour ne citer que les plus importantes8.

Le modèle de concordance est aussi appelé LCDM, L (la lettre grecque lambda en capitale) représentant la constante cosmologique et CDM signifiant « cold dark matter » (matière noire froide). Le modèle standard et le modèle de concordance, à eux deux, constituent aujourd’hui les fondations de la physique9.

À partir de maintenant, ça se complique

Un temps, j’ai assisté à la série de conférences internationales intitulée « Supersymétrie et unification des interactions fondamentales ». Elle se tient annuellement, et à son apogée, elle rassemblait plus de cinq cents participants. Chaque année, les interventions présentaient les avantages de la supersymétrie : naturel, unification, et candidats à la matière noire. Chaque année, on constatait que la quête des superpartenaires n’avait donné que des résultats négatifs. Chaque année, on mettait les modèles à jour afin de prendre en compte le manque de preuve.

Jusqu’à présent, le LHC s’est montré incapable de fournir des preuves des superpartenaires, et cette réalité a eu un impact sur le moral des théoriciens. « Le moment n’est pas encore venu de céder au désespoir… mais on peut peut-être déjà se laisser aller à déprimer », déclarait le physicien italien Guido Altarelli en 201110. Ben Allanach, de l’université de Cambridge, a décrit ce qu’il a ressenti à la lecture d’une analyse des données du LHC en 2015, disant qu’il l’avait trouvée « un peu déprimante pour un théoricien de la supersymétrie comme [lui]11 ». Jonathan Ellis, théoricien du CERN, a dépeint la possibilité que le LHC ne trouve rien d’autre que le boson de Higgs comme « un sacré désastre12 ». Mais l’expression la plus courante reste « le scénario de cauchemar13 ». Un cauchemar que nous vivons aujourd’hui.

Je n’assiste plus à cette conférence annuelle depuis 2006 ‒ trop déprimant. Mais c’est grâce à elle que j’ai fait la connaissance de Keith Olive et que j’ai découvert ses travaux sur la supersymétrie. Keith est professeur de physique à l’Université du Minnesota, et directeur de l’Institut de physique théorique William I. Fine. J’appelle Keith pour lui demander ce qu’il pense du refus de SUSY de se montrer au LHC.

« On a eu les infos par petits bouts, se souvient-il. Les limites sont juste devenues de plus en plus fortes. Il se passait quelques mois entre les analyses de données, et à chaque fois, ça empirait peu à peu. C’est vrai que nous espérions trouver SUSY à un niveau plus faible d’énergie. C’est un gros problème. Quelque chose en moi me dit que la supersymétrie devrait faire partie de la nature, même si, comme vous dites, rien ne le prouve. Est-ce qu’elle se trouve à un niveau d’énergie faible ? Je crois que personne ne sait. On le pensait, pourtant. »

Keith est de la génération qui précède la mienne, celle qui a été témoin des succès de la symétrie et de l’unification dans le développement du modèle standard. Je ne partage pas son expérience, je n’ai aucune raison de considérer que la beauté est un guide adapté. Cette voix qui dit à Keith ce qui fait ou non partie de la nature ? Je ne lui fais pas confiance.

« Pourquoi SUSY devrait-elle faire partie de la nature ?

‒ C’est la force de sa symétrie, affirme Keith. Je pense qu’elle est encore très convaincante. Est-ce qu’elle est accessible à de faibles niveaux d’énergie ? Selon moi, ça reste possible. Si on s’était aperçu que le boson de Higgs se trouvait à 115, 120 GeV et qu’on n’avait pas trouvé SUSY, ça aurait été beaucoup plus inquiétant. Le fait que la valeur du Higgs soit proche des limites supérieures nous donne de l’espoir. En fait, il faut que les choses soient lourdes, et c’est relativement logique que le LHC ne les voie pas. »

Le boson de Higgs se décompose rapidement après avoir été produit, et sa présence doit être déduite du résultat de cette décomposition identifiée par le détecteur. Or, la décomposition du boson de Higgs dépend de sa masse. Un boson de Higgs lourd, dans la mesure où on parvient seulement à le produire, aurait laissé un signal plus facile à détecter. D’où le fait qu’avant même que le LHC ne se lance sur ses traces la masse du Higgs a été limitée tant au niveau inférieur que supérieur.

Le LHC a fini par confirmer que la masse du boson de Higgs était de 125 GeV, juste à la limite supérieure du niveau qui n’avait pas encore été exclu. Un boson de Higgs plus lourd permet des superpartenaires plus lourds. Du point de vue de SUSY, plus le Higgs est lourd, mieux ça vaut. Mais le fait qu’aucun superpartenaire n’ait encore été découvert signifie qu’un tel superpartenaire devrait être si lourd que la masse mesurée du boson de Higgs ne pourrait être obtenue qu’en ajustant les paramètres des modèles supersymétriques.

« Donc, maintenant, on sait qu’il y a de l’ajustement, reconnaît Keith. Ce qui, en soi, devient une question très subjective. Dans quelle mesure cet ajustement est-il néfaste ? »

*

On l’a vu, les physiciens n’aiment pas les coïncidences numériques qui nécessitent de très grands nombres. Et puisque l’inverse d’un très grand nombre est un très petit nombre et que l’un peut être transformé en l’autre, ils n’aiment pas non plus les très petits nombres. En général, ils n’aiment pas beaucoup les nombres qui diffèrent de 1.

Mais ce sont seulement les nombres sans unités qui inquiètent les physiciens ‒ des nombres que l’on dit également « adimensionnels » par opposition aux nombres « à dimensions », qui ont des unités. Cela s’explique par le fait que la valeur d’un nombre à dimensions n’a fondamentalement aucune importance ‒ elle dépend du choix des unités. En effet, avec des unités appropriées, tout nombre à dimensions peut être ramené à 1. La vitesse de la lumière, par exemple, est égale à 1 dans les unités d’années-lumière par année. Aussi, quand les physiciens s’affolent à propos des nombres, ce ne sont que ceux qui n’ont pas d’unités qui les angoissent, comme le rapport de la masse du boson de Higgs à la masse de l’électron, qui se trouve être d’environ 250 000 pour 1.

L’énigme de la masse du boson de Higgs, comme nous l’avons déjà évoqué, n’est pas que la masse elle-même est petite, puisque cela dépend en réalité des unités impliquées et n’a donc aucune importance. La masse du boson de Higgs est de 1,25 × 1011 eV, ce qui a l’air grand, mais c’est la même chose que 2,22 × 10-21 gramme, ce qui a l’air minuscule. Non, ce qui est petit, ce n’est pas la masse du boson de Higgs en elle-même, mais le ratio de la masse de Higgs sur (la masse associée à) l’énergie qui provient des corrections quantiques apportées à cette masse. Pardonnez-moi si j’ai pu paraître manquer de sérieux auparavant.

L’origine des arguments en faveur du naturel, c’est que les physiciens aimeraient bien que tous les nombres adimensionnels soient proches de 1. Mais ils n’ont pas besoin d’être exactement 1, et on peut donc débattre pour savoir jusqu’à quelle grandeur un nombre est toujours acceptable. En effet, dans bien des équations, nous avons déjà des nombres adimensionnels, et ils peuvent importer des facteurs qui ne sont pas forcément proches de 1. Par exemple, 2π à une puissance qui dépend du nombre de dimensions spatiales peut rapidement se retrouver au-dessus de 100 (surtout si vous avez plus de trois dimensions spatiales). Et si vous composez un modèle un peu plus compliqué, vous risquez même d’obtenir un nombre encore supérieur.

Par conséquent, où se situe la frontière entre beaucoup et trop d’ajustement ? Elle dépend de ce que vous êtes prêts à accepter quand on combine des facteurs pour en produire de plus grands. Ainsi, il est subjectif de se demander si la supersymétrie n’est pas menacée maintenant qu’il va falloir ajuster les résultats du LHC pour parvenir à la masse correcte du boson de Higgs. Nous sommes peut-être capables de calculer avec précision le degré d’ajustement nécessaire, mais pas le degré d’ajustement que les théoriciens sont, eux, prêts à accepter.

*

« On justifie toujours la supersymétrie en expliquant qu’elle évite l’ajustement, poursuit Keith. Nous aimons croire que s’il y a une théorie au-delà du modèle standard et que l’on y apporte des corrections [quantiques], on n’apprécierait pas de devoir les ajuster.

‒ C’est quoi, le problème, avec l’ajustement ?

‒ Apparemment, ça n’a rien de séduisant, répond-il en riant. Le naturel est une sorte de principe directeur. Si c’est ce que l’on appelle séduisant, c’est l’exacte définition du mot : ça nous séduit. C’est vers ça que nous nous ruons.

» Au bout du compte, ajoute-t-il, la seule chose dont on sait qu’elle est vraie, c’est le modèle standard. Ce qui est frustrant pour tout le monde. Il devrait y avoir quelque chose au-delà du modèle standard, ne serait-ce que pour expliquer la matière noire, ou pourquoi l’univers contient plus de matière que d’antimatière. Il devrait y avoir quelque chose. Pour beaucoup de gens, il est tout simplement difficile d’imaginer que c’est juste autre chose, quelque chose d’aléatoire, sans absolument aucun lien. Ce qu’il faut faire, selon moi, c’est ajouter de la symétrie, ou de l’unification. »

Quand je lui demande quelle stratégie expérimentale adopter, il n’a aucun conseil à me donner.

« Tout ce qui était facile à faire a déjà été fait, conclut-il. Maintenant, ça ne va pas être simple. Vraiment pas. Dans les années 1950, quand la physique des particules a commencé, c’était beaucoup plus facile. Ce n’était pas si compliqué que ça de construire une machine à quelques GeV et de procéder aux collisions. Et on n’arrêtait pas de trouver des trucs partout ‒ des trucs que la physique ne connaissait pas encore. Il y a tous ces trucs bizarres ‒ c’est pour ça qu’on les appelle des particules “strange” ; Le nombre de particules que l’on découvrait chaque année était phénoménal. Et ça a entraîné d’énormes progrès théoriques. Aujourd’hui… c’est difficile, sans direction expérimentale. Alors, on fait les choses en se fondant sur ce que l’on trouve joli. »

EN BREF

* Expérience et théorie progressent théoriquement de concert.

* Ce que l’on considère actuellement comme les lois les plus fondamentales de la nature repose sur les principes de la symétrie.

* Si les nouvelles données se font plus rares, les physiciens théoriciens font appel à leur perception de la beauté pour évaluer les théories.

* La beauté n’est pas un critère scientifique, mais elle peut se baser sur l’expérience.

* Il y a plusieurs mesures différentes, et la plus efficace fait l’objet de débats, mais cela n’a pas d’importance pour ce qui suit (NdA).

** 1 nanomètre équivaut à 10-9 m, soit un milliardième de mètre (NdA).

*** Allusion au paradoxe dit des « jumeaux cosmiques » : http://www.univers-astronomie.fr/articles/physique-theorie/125-le-paradoxe-des-jumeaux.htmlb (NdT).

**** Dans l’intérêt de ce livre, c’est tout ce qu’il nous faut savoir sur la relativité restreinte, mais ce n’est certes pas tout ce qu’il y a à dire sur le sujet. Pour celles et ceux qui voudraient en savoir plus, je recommande, de Chad Orzel, How to Teach Relativity to Your Dog (Comment enseigner la relativité à son chien) (Basic Books, 2012) et, de Leonard Susskind et Art Friedman, Special Relativity and Classical Field Theory : The Theoretical Minimum (Relativité restreinte et théorie des champs classique : le minimum théorique) (Basic Books, 2017) (NdA).

Chapitre 4

Des fissures dans les fondations

Où je rencontre Nima Arkani-Hamed et où je fais de mon mieux pour admettre que la nature n’est pas naturelle, que tout ce que nous apprenons est formidable et que tout le monde se fout pas mal de ce que je pense.

Un boulot de rêve, si vous réussissez à le décrocher

Quand mon taxi se gare devant l’Institut Niels Bohr, des écoliers sont en train de prendre des photos. La façade est ornée, en grandes lettres, du nom de l’institut et de son année de construction, 1920. C’est ici que des physiciens se sont réunis il y a près d’un siècle pour développer les fondations de la physique atomique et de la mécanique quantique, ces théories qui sous-tendent toute l’électronique moderne. Toutes les puces, toutes les LED, toutes les caméras numériques, tous les lasers ‒ nous les devons tous aux équations conçues ici, quand Heisenberg et Schrödinger sont venus discuter de physique avec Bohr. Un lieu qu’il faut effectivement photographier quand le professeur vous regarde.

Debout devant les portes fermées, le visage giflé par une pluie d’hiver, je prends conscience que l’édifice date de 1920, ses verrous électroniques, eux, sont modernes. Il me faut errer un peu avant de trouver le bureau des inscriptions, dans un bâtiment adjacent. Une jeune Danoise m’informe que je ne suis pas sur la liste des visiteurs attendus et me demande quel est le but de ma visite.

« Je souhaiterais rencontrer Nima Arkani-Hamed », balbutié-je, soudain consciente qu’il y a quelque chose d’absurde à sauter dans un avion juste pour venir planter un dictaphone sous le nez de quelqu’un. Or, Nima est lui aussi ici pour rendre visite à quelqu’un ‒ je ne sais pas qui ‒, et il ne se trouve pas sur sa liste non plus.

Je ne mens qu’à moitié quand je dis que je viens de Nordita, une institution autrefois installée dans les locaux de l’Institut Niels Bohr, qui a déménagé à Stockholm en 2007. Mon contrat vient d’y prendre fin, mais j’y souris toujours sur la page de leur site. Elle me tend un badge d’accès.

Il est trop tôt, et je me dirige donc vers la bibliothèque, au bout du couloir. J’y suis accueillie par des ouvrages familiers. Le plancher de bois se met à grincer, et je cesse de bouger, ne tenant pas à interrompre des réflexions potentiellement révolutionnaires. Ça sent les sciences, autrement dit le café. Une anecdote me revient en mémoire : pendant la Seconde Guerre mondiale, l’édifice était équipé d’explosifs, car l’idée était qu’il valait mieux le faire sauter que de l’abandonner aux nazis. Et d’après la rumeur, il n’est pas certain que tous les explosifs aient été retirés après la guerre. Je me déplace avec prudence.

Je viens de décider que j’allais me mettre en quête de la machine à café quand Nima débarque. Depuis que je suis tombée pour la première fois sur ses articles, à la fin des années 1990, Nima a connu une ascension tout simplement spectaculaire. En 1999, à l’âge de 27 ans, il est devenu professeur au département de physique de Berkeley. Il est passé à Harvard en 2002, est à Princeton depuis 2008, et a été élu membre de l’Académie américaine des arts et des sciences en 2009. Il a remporté des tonnes de prix, y compris la première édition du Breakthrough Prize en 2012 pour son « approche originale des problèmes les plus remarquables de la physique des particules ». Lesdits problèmes sont toujours remarquables. Nima aussi.

Il me guide jusqu’au bureau qu’il occupe durant son séjour ici. Je me pose sur un canapé, sans trop savoir ce que je dois faire ensuite. Je pourrais peut-être enclencher mon dictaphone, ça me paraît une bonne idée. Comme s’il n’avait attendu que ça, Nima commence à parler, ses mains s’agitent, ses longs cheveux ondulent.

La question de la beauté et du naturel, attaque-t-il, le préoccupe considérablement face aux derniers résultats du LHC.

« On a une image totalement fausse du sujet général du naturel et de la beauté, dit-il. Cette combinaison de la beauté entre les arts et la science aide sans doute à vendre des livres. » Ce qui ne lui plaît pas beaucoup. « Si vous êtes un profane intraitable et que ce que vous savez de la physique, vous l’avez trouvé dans The Elegant Universe, de Brian Greene, je n’ai rien contre lui, mais il est tout à fait possible que vous vous disiez que les physiciens se contentent d’inventer des conneries. C’est bien dommage, parce que c’est très loin de la réalité, la réalité que connaît le physicien honnête, digne de ce nom.

» Oui, dit-il, c’est facile d’avoir l’impression que parfois les expériences sont impossibles sur le plan pratique. Et même si elles sont possibles sur le plan pratique, elles risquent de prendre si longtemps que, en termes pratiques, vous pourriez passer toute votre vie sans avoir à faire face [aux résultats d’une] expérience. Et avant ça, tout est bon à prendre. Vous pouvez inventer tout un tas de belles histoires, et peut-être, une fois de temps en temps, tous les cinquante ans ou à peu près, une expérience va débouler et tout flanquer par terre. Donc, si vous vous en tirez comme ça, c’est pas mal, non ? Vous n’avez qu’à rester là, à inventer de la merde, et personne ne viendra jamais vérifier ce que vous faites. C’est l’impression que ça donne. »

À la fin de mon affectation à Nordita, j’ai quitté Stockholm pour l’Allemagne. Mais je n’ai pas encore de nouvelles de ma prochaine bourse de recherche, et je suis donc pour l’instant sans emploi. Ce n’est pas la première fois que ça arrive. Depuis quinze ans déjà, je fais le grand écart entre des contrats à court terme, d’un pays à l’autre, animée par la conviction que la physique reste mon meilleur espoir de donner un sens au monde qui m’entoure. Ce n’est pas tant une profession qu’une obsession. C’est ma situation qui est la norme, Nima est une exception. Il est rare que la plupart d’entre nous soient accusés d’avoir un bon boulot.

Indifférent à mes réflexions, Nima continue : « Et donc, il n’y a pas d’expériences, et vous êtes là, à parler de beauté, d’élégance, d’esthétique mathématique. Et ça a l’air d’être du pipeau sociologique. Je crois que cette impression est complètement fausse ‒ et ce, pour une raison intéressante. Cette raison fait que nous autres, en physique des hautes énergies, nous sommes différents de l’essentiel des autres disciplines scientifiques.

» C’est vrai, explique-t-il encore, dans la plupart des autres domaines des sciences, ce qui est nécessaire pour vérifier que des idées sont justes ou non, ce sont de nouvelles expériences. Mais notre domaine est si mûr que les expériences anciennes nous imposent déjà des restrictions incroyables. Ces restrictions sont si fortes qu’elles écartent d’emblée pratiquement tout ce que l’on peut essayer. Si vous êtes un physicien honnête, 99,99 % de vos idées, même les bonnes, vont finir par être mises à l’écart, non par de nouvelles expériences, mais par les incohérences déjà présentes dans les anciennes expériences. C’est ce qui rend notre domaine si différent, et qui nous donne cette notion interne de ce qui est juste et de ce qui ne l’est pas avant de nouvelles expériences. Donc, contrairement à l’idée que s’en fait ce profane sceptique, on a tort de croire qu’on peut se contenter d’inventer n’importe quoi. C’est une lutte acharnée. »

J’en sais quelque chose, me dis-je en hochant la tête.

Comment s’inventer des problèmes

Le modèle standard, en dépit de son succès, n’est guère aimé des physiciens. Michio Kaku l’accuse d’être « laid et artificiel », Stephen Hawking l’estimait « laid et improvisé », Matt Strassler le dénonce comme étant « laid et baroque », Brian Greene se plaint que le modèle standard est « trop flexible », et Paul Davies pense qu’il « a l’air d’un truc pas fini » parce que « l’hésitation avec laquelle il relie les interactions forte et faible » est une « caractéristique hideuse1 ». J’attends toujours de croiser quelqu’un qui aime vraiment le modèle standard.

Qu’est-ce qui le rend si laid ? Son plus grand crime, ce sont ses nombreux paramètres ‒ des nombres pour lesquels il n’existe pas d’explication plus fondamentale ‒, et le fait que beaucoup de ces paramètres sont tout sauf proches de 1. Nous avons déjà abordé le casse-tête que représente la masse du boson de Higgs. Mais il existe d’autres nombres tout aussi fâcheux, à commencer par les masses des autres particules élémentaires, ou les rapports de ces masses à la masse du boson de Higgs, respectivement (en gardant à l’esprit que nous ne nous inquiétons que de nombres adimensionnels). Ce rapport adopte des valeurs comme 0,000004008 pour l’électron, ou environ 1,384 pour le quark top. Personne n’est en mesure d’expliquer pourquoi ces rapports de masse sont ce qu’ils sont.

Mais les rapports de masse ne semblent pas non plus être totalement aléatoires, ce qui pousse les physiciens à penser qu’il y a une explication sous-jacente. Les trois neutrinos, par exemple, sont très légers, la somme de leurs masses représentant moins de 10-11 fois celle du boson de Higgs. Les générations de fermions présentent des masses qui diffèrent grossièrement d’un facteur de 10. Et il y a l’étrange loi de Koide, une relation entre les masses de l’électron, du muon et du tau2. Si l’on divise la somme de leurs masses par le carré de la somme des racines carrées de leurs masses, on obtient 2/3 jusqu’à la cinquième décimale. Pourquoi ? On s’est aperçu que des relations numérologiques similaires étaient valides pour d’autres particules, mais pas avec autant d’exactitude. Ce qui nous fait dire que nous passons à côté d’une explication plus fondamentale.

Outre les masses, il y a les matrices unitaires. Quand elles se déplacent d’un point à un autre, certaines peuvent se transformer ‒ ou « osciller » ‒ en d’autres particules. Les probabilités de ce phénomène sont rassemblées dans ce que l’on appelle les matrices unitaires3. Là encore, les nombres dans les matrices sont pour l’instant inexpliqués, mais ils n’ont pas l’air d’être complètement aléatoires. Certaines particules se mélangent avec d’autres presque uniformément, mais d’autres ne le font pas vraiment, alors qu’elles le pourraient. Pourquoi ? Nous n’en savons rien.

Il y a un autre problème : le modèle standard présente trop de symétrie ! La symétrie en question est dite symétrie CP. Sa transformation symétrique passe par la conjugaison du changement de la charge électrique d’une particule en son opposé (C, pour « charge ») et du changement de la particule en son image miroir (P, pour « parité »). Quand on procède à cette transformation, alors les équations de l’interaction faible changent ‒ autrement dit l’interaction faible n’obéit pas à la symétrie. L’électrodynamique quantique ne peut pas violer cette symétrie. L’interaction forte, elle, le peut, mais pour des raisons que l’on ne connaît pas, elle n’en fait rien. Si elle le faisait, cela pourrait par exemple avoir un impact sur la répartition de la charge électrique dans le neutron, ce qui n’a pas été observé.

La force de cette violation CP par l’interaction forte est mesurée par ce que l’on appelle le paramètre thêta (θ). Selon les données actuelles, ce paramètre est scandaleusement petit, nettement inférieur à 1.

Il a été proposé, pour résoudre ce problème de violation CP, de rendre dynamique le paramètre thêta et de le laisser descendre jusqu’à son minimum potentiel, où il se stabilise4. Ce serait une solution naturelle parce qu’elle ne nécessite pas de nouveaux nombres grands ou petits. Il a cependant été souligné par Steven Weinberg, et indépendamment par Frank Wilczek, qu’un thêta dynamique doit être accompagné d’une particule, baptisée « axion » par Wilczek (première et, espérons-le, dernière fois qu’une particule se retrouve affublée du nom d’un détergent). Mais l’axion reste hypothétique, et le problème de la violation CP n’est toujours pas résolu.

Mais quand on considère le modèle standard, il n’y a pas que les nombres qui nous chagrinent. Il y a aussi les trois générations inexpliquées de fermions, et les trois symétries de jauge. Ne serait-ce pas idéal si les interactions forte et faible pouvaient être fusionnées, accouchant d’une théorie de grande unification ou, mieux encore, d’une grande unification supersymétrique ? (Nous y reviendrons au chapitre 7.)

Et bien sûr, il s’en trouve aussi pour se plaindre du modèle de concordance cosmologique. Là encore, nous croisons tous ces nombres inexpliqués. Pourquoi la quantité d’énergie noire est-elle ce qu’elle est ? Pourquoi y a-t-il cinq fois plus de matière noire que de matière normale ? Et d’ailleurs, que sont la matière et l’énergie noires ? Dans le modèle de concordance, nous nous contentons de décrire leur comportement d’ensemble, mais leurs propriétés microscopiques ne jouent aucun rôle. En ont-elles seulement, des propriétés microscopiques ? Sont-elles faites de quelque chose ? Et si oui, de quoi ? (Nous en discuterons dans le chapitre 9.)

Et n’oublions pas les problèmes qui surgissent quand on conjugue le modèle de concordance et le modèle standard. La force gravitationnelle entre les particules élémentaires est extrêmement faible quand on la compare à celle des autres interactions. Le rapport des forces électrique et gravitationnelle entre l’électron et le proton, par exemple, est d’environ 10-40. Encore un petit nombre inexpliqué, connu, celui-là, en tant que « problème de la hiérarchie ».

Pire encore, la relativité générale refuse systématiquement de se combiner avec le modèle standard, et c’est pour cela que, depuis quatre-vingts ans, les physiciens s’efforcent de développer une version quantique de la gravité ‒ une théorie de la « gravité quantique ». Dans l’idéal, ils aimeraient aussi fusionner la gravité quantique avec toutes les autres interactions pour composer une théorie de tout. (Nous nous y attarderons au chapitre 8.)

Enfin, même si nous avions résolu toutes ces questions, nous continuerions à nous plaindre de la mécanique quantique (le sujet du chapitre 6).

*

Ces problèmes sont connus depuis au moins vingt ans, et aucun d’entre eux ne semble pour l’instant sur le point d’approcher d’une solution. La difficulté croissante qu’il y a à concevoir (et financer) de nouvelles expériences est en partie responsable de cette absence de progrès. Toutes les expériences faciles ont été réalisées. Il faut toujours s’attendre à un ralentissement quand un domaine de recherche atteint sa maturité.

Mais, nous l’avons vu, même sans nouvelles expériences, les théoriciens ne manquent pas d’énigmes à résoudre. Du reste, pour la plupart, mes collègues pensent que ces problèmes sont solubles en termes purement théoriques. Ils n’y sont simplement pas encore arrivés. Le progrès théorique a donc ralenti, et en grande partie pour les mêmes raisons qu’il est difficile de deviser de nouvelles expériences : les choses faciles ont déjà été faites.

Chaque fois que nous trouvons la solution à un problème, il devient plus difficile de modifier quoi que ce soit dans les théories du moment sans reproblématiser des questions que nous avons déjà résolues. Ainsi les lois fondamentales de la nature dont nous disposons aujourd’hui semblent-elles être les conséquences inévitables d’accomplissements passés. Ce caractère inéluctable des théories existantes est souvent défini comme une « rigidité ». Celle-ci éveille en nous l’espoir que nous savons déjà tout ce qui est nécessaire pour développer une théorie plus fondamentale ‒ et qu’il suffira de se montrer malin pour la trouver.

On peut envisager cette situation en se disant que la rigidité est souhaitable parce qu’elle indique qu’une théorie n’est pas loin de correspondre idéalement à nos observations. Mais on peut aussi en déduire que la rigidité est synonyme d’une impasse, et qu’il nous faut donc nous pencher à nouveau sur des problèmes résolus depuis longtemps pour étudier les chemins que nous n’avions pas empruntés alors.

*

« En termes plus simples, reprend Nima en reformulant son argument, le fait d’avoir à la fois la relativité et la mécanique quantique représente une incroyable restriction. Je crois que c’est un point que peu de gens comprennent : que la relativité et la mécanique quantique, et c’est choquant ‒ vraiment choquant ; ‒, limitent ce qu’on peut faire. La rigidité et l’inéluctabilité sont de loin la chose la plus importante. Appelez ça comme vous voulez, mais pour moi, c’est un substitut de la beauté.

‒ Mais, pour commencer, pourquoi avons-nous des symétries ? Pourquoi des champs quantiques ? Pourquoi un espace-temps courbe ? » demandé-je, en dressant la liste de quelques assertions mathématiques communément admises.

Nous nous servons de ces abstractions et d’autres parce qu’elles fonctionnent, parce que nous nous sommes aperçus qu’elles décrivaient la nature. D’un point de vue purement mathématique, elles ne sont certainement pas inévitables. Si elles l’étaient, nous pourrions y parvenir par la seule logique. Mais on ne peut jamais prouver que les mathématiques sont une description exacte de la nature, car les seules vérités démontrables sont les structures mathématiques en elles-mêmes, non la relation de ces structures à la réalité. Ainsi la rigidité est-elle un critère important seulement une fois que l’on a édifié une ossature composée d’affirmations à partir desquelles effectuer des déductions.

La gravité, par exemple, est pratiquement inévitable à partir du moment où on accepte l’idée que l’on vit dans un espace-temps courbe. Mais cela ne nous dit pas pourquoi, tout d’abord, nous vivons dans un espace-temps courbe. C’est juste quelque chose qui fonctionne. Et nous savons seulement que cela fonctionne pour les exemples que nous avons testés.

« Vous avez raison, me dit Nima. Toute discussion sur la rigidité doit se situer dans le contexte de quelque chose qui est accepté comme étant vrai. Non parce que nous savons que ça l’est ‒ bien sûr que nous n’en savons rien. » Il se lance dans une conférence improvisée sur les origines de la théorie des cordes, puis disparaît pour aller nous chercher un café.

J’ai du mal à ne pas être d’accord avec lui. La quantification est, on peut le supposer, un problème extrêmement ardu sur le plan technique. Les symétries de la relativité spéciale sont excessivement difficiles à maintenir dans une théorie quantique de la gravité, et eu égard à cette difficulté, on peut se dire que si on trouve une façon de le faire, alors, peut-être est-ce la seule façon.

Sauf que cela en dit peut-être plus sur l’être humain que sur les mathématiques.

« Pourquoi SUSY continue-t-elle à attirer autant l’attention ? », demandé-je à Nima quand il revient.

Sirotant son café, il répond : « Si la supersymétrie est là, pas loin des [énergies testées dans le LHC], ce qu’il y a d’intéressant, c’est que ça impose aussitôt des restrictions incroyablement sévères à ce qui viendra par la suite. S’il y a une quatrième génération [de fermions], ça ne me dira rien de plus. Donc, il y a des développements qui sont des impasses intellectuelles. »

Je m’interroge : « Est-ce une bonne chose si les théoriciens préfèrent ne pas considérer ce qui pourrait être justement une impasse intellectuelle ? Qu’est-ce qui ne va pas, avec les autres idées, à part qu’ils ne les aiment pas ?

‒ On s’en fout, de ce qu’on aime ou n’aime pas ; lâche Nima. La nature s’en moque, et nous sommes tous d’accord là-dessus. Si la supersymétrie a été si populaire, ce n’est pas juste pour des raisons sociologiques. Ce qui a joué un rôle clé, c’est [qu’avec la supersymétrie] on pouvait résoudre des problèmes impossibles à résoudre autrement. Que la nature s’en soucie ou pas, c’est une autre question. Sans SUSY, on a ces problèmes liés au naturel. Des problèmes comme ça, on en a déjà croisé trois fois et quelques jusque-là, et à chaque fois, on a trouvé une solution. »

Où les nombres n’ont pas de nom

De nos jours, nous disons d’une théorie qu’elle est naturelle si elle ne comporte pas de nombres soit très grands, soit très petits. Toute théorie qui contient des nombres non naturels est considérée comme n’étant pas fondamentale ‒ voilà une fissure dans le sol qui mérite qu’on la creuse un peu plus.

L’idée qu’une loi de la nature doit être naturelle selon ces critères est depuis très longtemps en vogue. Elle a débuté sous la forme d’un critère esthétique, mais est aujourd’hui mathématiquement formalisée en tant que « naturel technique ». Et en conférant un critère esthétique au statut de principe mathématique, l’origine non scientifique du naturel a été pour l’essentiel oubliée.

C’est peut-être quand on a voulu rejeter le modèle héliocentrique (avec le Soleil en son centre), sous prétexte que les étoiles semblaient fixes, que l’on a pour la première fois fait appel au naturel. Si la Terre tourne autour du Soleil, alors les positions apparentes des étoiles devraient changer durant l’année. La magnitude de changement, la « parallaxe », dépend de la distance des étoiles. Plus l’étoile est éloignée, moins son changement de position sera visible. On constate un effet comparable quand, assis dans un train, on regarde défiler le paysage : les arbres plus proches se déplacent beaucoup plus vite dans notre champ de vision que la silhouette d’une ville plus lointaine.

À l’époque, les astronomes pensaient que les étoiles étaient fixées dans une sphère céleste qui contenait l’univers entier. Dans ce cas, si nous ne nous trouvons pas au centre de la sphère, les positions relatives des étoiles devraient changer pendant l’année parce que nous serions parfois plus près d’un côté de la sphère que de l’autre. Les astronomes n’observant pas de changements de ce type, ils en avaient conclu que la Terre était au centre de l’univers.

Au cours d’une année, les étoiles changent bien légèrement de position, mais ce changement est si infime que les astronomes ne purent le mesurer avant le XIXe siècle. Le mieux qu’ils purent faire fut d’estimer que l’absence de parallaxe observable signifiait soit que la Terre elle-même ne bougeait pas pendant l’année, soit que les étoiles devaient se trouver très, très loin ‒ beaucoup plus loin que le Soleil et les autres planètes et, dans ce cas, la parallaxe était minuscule. Ce qui aurait permis au Soleil d’être au centre, mais ils rejetèrent cette solution, car cela les obligeait à accepter des nombres d’une grandeur inexplicable.

Au XVIe siècle, Nicolas Copernic avança des arguments convaincants en faveur du modèle héliocentrique au prétexte qu’il simplifiait le mouvement des planètes, mais la question de la parallaxe n’était toujours pas réglée. Il aurait certes fallu que les étoiles soient beaucoup plus éloignées que tout autre objet du système solaire. Mais en outre, Copernic et ses contemporains se livraient à une estimation erronée de la dimension des étoiles.

La lumière émise par une source lointaine qui passe par une ouverture circulaire ‒ comme celle de l’œil ou d’un télescope ‒ a tendance à s’étaler pour donner l’impression qu’elle est plus large qu’en réalité, mais il a fallu attendre le XIXe siècle pour que ce phénomène soit compris. À cause de cette illusion d’optique, les astronomes de l’époque de Copernic pensaient à tort que les étoiles étaient beaucoup plus grandes qu’elles ne le sont. Et donc, dans le modèle héliocentrique, les étoiles fixes, considérées comme très éloignées, n’en paraissaient pas moins énormes dans les télescopes, ce qui signifiait qu’elles devaient être immenses, beaucoup plus grosses que notre Soleil.

Tycho Brahé pensait que des nombres aussi incroyablement différents étaient absurdes, et rejetait donc l’idée que la Terre tournait autour du Soleil. Au lieu de cela, il proposa son propre modèle, où le Soleil tournait autour de la Terre, mais où les autres planètes tournaient autour du Soleil. Il s’opposa à l’héliocentrisme en ces termes, dans un ouvrage publié en 1602, après sa mort :

« Il est nécessaire de préserver en cette affaire des proportions décentes, de crainte que les choses n’atteignent l’infini et que ne soient abandonnées la juste symétrie des créatures et les choses visibles concernant la taille et la distance : il est nécessaire de préserver cette symétrie, car Dieu, l’auteur de l’univers, aime l’ordre convenable, non la confusion et le désordre5. »

Ces notions de « proportions décentes » et d’« ordre convenable » correspondent en gros à notre critère moderne du naturel.

Nous savons désormais que la plupart des étoiles sont de taille comparable à notre Soleil, et que les énormes distances qui nous séparent d’elles n’ont rien d’anormal. Les distances entre notre système solaire et les autres étoiles dans la Voie lactée, de même que celles qui nous séparent des autres galaxies, sont déterminées par la façon qu’a la matière de s’amasser sous la force de sa propre gravité alors que l’univers s’étend. Les distances en question sont dynamiques et ne sont les paramètres fondamentaux d’aucune théorie sous-jacente.

L’idée que les grands nombres nécessitent une explication n’en resta pas moins influente6. En 1937, Paul Dirac a remarqué que l’âge de l’univers divisé par le temps que prend la lumière pour traverser le rayon d’un atome d’hydrogène est d’environ 6 × 1019 ‒ à peu près autant que le rapport de la force électrique entre un proton et un électron à la force gravitationnelle entre eux, qui est d’à peu près 2,3 × 1039. Pas tout à fait la même chose, c’est vrai, mais assez proche pour que Dirac postule que ces nombres devaient avoir une origine commune. Et non seulement devaient-ils être liés, affirmait-il, mais « n’importe quel très grand nombre adimensionnel que l’on croise dans la Nature est rattaché à un autre par une simple relation mathématique, où les coefficients sont de l’ordre de l’unité de grandeur7 ».

Ce qui est aujourd’hui connu sous le nom d’hypothèse des grands nombres de Dirac.

Mais dans ce jeu numérique, Dirac a utilisé une constante qui, en fait, ne l’est pas : l’âge de l’univers. Cela veut dire que pour garantir cette égalité postulée, d’autres constantes de la nature doivent elles aussi changer avec le temps. Le résultat est une multiplicité de conséquences pour la formation de structures dans l’univers qui font que l’hypothèse est incompatible avec les observations8.

Appliquée aux nombres particuliers qu’il avait choisis, l’hypothèse des grands nombres de Dirac est aujourd’hui considérée comme n’étant plus d’une importance capitale. Toutefois, l’essentiel de son argument, à savoir que les grands nombres doivent être expliqués, ou qu’à tout le moins, il est préférable qu’ils aient une origine commune, reste très en vogue. D’ailleurs, les scientifiques se sont aperçus que l’apparition de nombres remarquablement grands ou petits peut indiquer la présence de nouveaux effets jusque-là jamais observés. Ce qui a renforcé leur conviction que l’ajustement est généralement le signe qu’il est temps de tout repenser.

La logique des arguments en faveur du naturel rappelle les efforts des téléspectateurs qui tentent de prédire le déroulement d’une série télévisée de longue haleine. Si le héros ‒ ici, le naturel ‒ se retrouve dans une situation difficile, il est fort probable qu’il survive, donc, il va se passer quelque chose pour renverser une situation qui paraît mal engagée.

En électrodynamique non quantique, par exemple, la masse de l’électron est anormalement faible. Parce que l’électron comporte un champ électrique et que l’énergie de ce champ devrait apporter une grande (en fait, infinie) contribution à la masse. Pour se débarrasser de cette « auto-énergie », il faudrait ajuster les mathématiques, ce qui n’est pas esthétique. Donc, voilà notre héros, le naturel, pris au piège d’une maison en flammes. Si ce calcul est juste, il va mourir.

Or, ce calcul n’est pas juste parce qu’il néglige les effets quantiques. Une fois ces effets inclus, l’électron est entouré de paires de particules virtuelles qui sont créées et annihilées sans devenir directement observables. Elles n’en contribuent pas moins indirectement à résoudre les problèmes de l’auto-énergie de la théorie non quantique. La faiblesse de la masse de l’électron est par conséquent « naturelle » en électrodynamique quantique9. Le héros saute du toit et atterrit sans dommage dans une benne à ordures.

Surtout dans le domaine de la physique des particules, l’absence de coïncidences numériques fait aujourd’hui l’objet d’une formulation mathématique dite du « naturel technique10 ». Curieusement, l’ensemble du modèle standard est techniquement naturel, sauf le problème de la masse du boson de Higgs. Même dans le cas des particules composites liées par l’interaction forte, toutes les masses sont techniquement naturelles ‒ à une exception près : les masses de trois mésons (le pion neutre et les deux pions chargés) sont douteusement proches les unes des autres. Si l’on prend la différence entre les carrés des masses des pions neutres et chargés, et qu’on la divise par le carré des masses elles-mêmes, on obtient un résultat anormalement petit. Notre héros est de nouveau dans la panade, le dos au mur, un pistolet sur la tempe.

Mais là encore, on s’aperçoit que les calculs ne prédisent pas correctement ce qui va se passer. Ce qui sauve la situation, c’est qu’au-delà d’une certaine énergie, une nouvelle physique fait son apparition, sous la forme d’une particule, le méson rho, et avec ce dernier surgit une nouvelle symétrie qui explique pourquoi les masses des pions sont si proches les unes des autres. L’explication est techniquement naturelle, donc, pas besoin d’ajustement. Le pistolet s’enraye et notre héros s’enfuit.

Les corrections quantiques apportées à l’auto-énergie de l’électron et au méson rho n’étaient cependant pas des prédictions, mais des « postdictions », des idées venues a posteriori. (Vous avez regardé une rediffusion.) La seule prédiction vraiment basée sur le naturel a été celle du quark charm, le quatrième quark à être découvert. Son existence avait été proposée en 1970 pour expliquer pourquoi la probabilité de certaines interactions entre particules était anormalement faible11. En incluant le quark charm, ces interactions étaient tout simplement interdites, leur non-observation était expliquée naturellement, sans avoir recours à un ajustement.

Pour résumer, le naturel est respecté par le modèle standard et il a une prédiction à son actif. Sur cette base, Nathan Seiberg, de l’Institut des études avancées de Princeton, affirme : « La notion de naturel guide la physique depuis deux siècles12. » En conséquence, l’opposé du naturel, l’ajustement, est dorénavant honni. D’après Lisa Randall, de l’Université Harvard, « l’ajustement est un stigmate honteux qui reflète fort probablement notre ignorance13 ». Ou, comme me l’a dit le physicien des particules Howard Baer : « L’ajustement, je pense, n’est qu’une maladie des théories qu’il faut prendre en compte, et qui nous indique comment les soigner et comment trouver le chemin qui mène au grand inconnu, vers les questions d’avenir14. »

La constante cosmologique n’est pas naturelle. Mais cela tient à la gravité, et les physiciens des particules ne se sentent donc pas responsables. Mais maintenant, nous savons que la masse du boson de Higgs n’est pas naturelle, et nous voilà nous aussi confrontés au problème.

Personne ne nous a promis un jardin de roses

« Je ne défends pas le naturel, déclare Nima. Le naturel n’est pas un principe, ce n’est pas une loi. On l’a envisagé comme un guide. Parfois, ç’a été un bon guide, parfois non. Il faut être ouvert aux possibilités. Des gens disent que le naturel est de la philosophie pure, mais ce n’est clairement pas de la philosophie. Ça nous a beaucoup aidés. »

Il dresse la liste des exemples en faveur du naturel, veille aussi à mentionner ceux qui le desservent, et conclut : « Le naturel n’a pas été ‒ n’aurait pas dû être ‒ l’argument qui a justifié le LHC. À la décharge du CERN, cet argument est venu des théoriciens. Cela étant, il n’était pas idiot de penser que le naturel aurait raison. À cause de ces succès. »

En dépit des réussites liées à l’argument du naturel, Nima me raconte comment, il y a dix ans, il a renoncé à la beauté naturelle au profit d’une nouvelle idée, la « SUSY brisée ». Il s’agit d’une variante de la supersymétrie où certains des superpartenaires espérés de SUSY sont naturellement si lourds qu’ils sont hors de portée du LHC. Ce qui explique pourquoi les partenaires de SUSY n’ont pas encore été vus. Mais la SUSY brisée a alors besoin d’ajustement pour obtenir correctement la masse observée du boson de Higgs.

Nima se souvient de la réaction de ses collègues à l’ajustement de la théorie : « Dans les conférences, il y a des gens qui m’ont littéralement hurlé dessus. Ça ne m’était jamais arrivé avant, ni depuis. »

Et voilà, me dis-je, ce qui vous arrive quand vous ne répondez pas aux critères de beauté du moment.

« Le LHC a-t-il modifié votre point de vue sur le naturel ? lui demandé-je.

‒ C’est intéressant ‒ il y a une version populaire des choses aujourd’hui qui veut qu’avant le LHC les théoriciens étaient sûrs que SUSY se montrerait, et que c’est donc un énorme échec. Je crois que les gens qui sont des concepteurs de modèles professionnels, les gens que je considère comme les meilleurs dans le domaine, ces gens-là ont commencé à s’inquiéter dès après le LEP. Mais c’est devenu un programme, comment peut-on [éviter le conflit avec les données existantes]. Ce n’était pas énorme, mais des petits détails troublants. Les gens bien, ils n’étaient pas du tout certains que SUSY apparaîtrait dans le LHC ; et en termes qualitatifs, rien n’a changé depuis 2000 [quand le LEP a injecté son dernier faisceau]. On a comblé certaines lacunes, mais rien n’a changé sur le plan qualitatif.

» Vous vous demandez pourquoi les gens continuent de travailler là-dessus ? poursuit-il. En fait, c’est très drôle. Comme je l’ai dit, les meilleurs avaient plutôt bien compris ce qui était en train de se passer ‒ ils ne restaient pas sans rien faire à attendre que des gluinos déferlent du LHC15. Et ils ont réagi avec pas mal de modération aux résultats. »

Sauf que pas un seul de ces « meilleurs » n’a pris la parole pour dénoncer la rumeur qui prétendait que le LHC avait de grandes chances de voir la supersymétrie ou des particules de matière noire, alors que c’était n’importe quoi. Je ne sais pas ce que je trouve le pire, les scientifiques qui ont foi dans les arguments esthétiques ou ceux qui trompent délibérément le public sur les perspectives d’expériences coûteuses.

Nima continue : « Les gens qui étaient sûrs qu’elle serait là sont maintenant certains qu’elle n’est pas là. Il y en a qui, maintenant, se disent déprimés, inquiets, effrayés. Ça me rend dingue. C’est d’un narcissisme achevé. Putain, qui en a à foutre de vous et de votre petite vie ? À part vous-même, bien sûr. »

Ce n’est pas de moi qu’il parle, mais ça me touche quand même. Peut-être que je ne suis là que pour me trouver une excuse afin de quitter le monde universitaire parce que j’ai perdu mes illusions, incapable de rester motivée, alors que les résultats nuls s’accumulent. Et quelle fabuleuse excuse je me suis inventée ‒ je reproche à la communauté scientifique de faire un mauvais usage de la méthode scientifique.

« Tout ce que nous apprenons sur la nature est fantastique. » La voix de Nima rompt le cours de mes réflexions. « Si on a de nouvelles particules, on a davantage de solutions. Et sinon, on a quand même des solutions. C’est un signe du narcissisme de notre époque d’entendre des gens parler comme ça. En d’autres temps, plus favorables, jamais on n’aurait pu s’exprimer comme ça en bonne compagnie. Qui se soucie de vos sentiments ? Qui s’intéresse au fait que vous avez passé quarante ans de votre vie là-dessus ? Personne ne nous a promis un jardin de roses. C’est un métier à risques. Si c’est de la certitude que vous voulez, faites autre chose de votre vie. Ça fait des siècles que les gens font fausse route. C’est la vie. »

Nous discutons depuis des heures, mais Nima déborde d’une énergie apparemment inépuisable, presque anormale. Les mots se bousculent, comme s’ils ne parvenaient pas à jaillir assez vite de sa bouche. Il trépigne sur son fauteuil, qu’il fait tourner. Parfois, il bondit et griffonne à la craie sur le tableau. Plus je le regarde, plus je me sens vieille.

« Ce qu’il y a de particulièrement exaspérant, c’est de voir que leur sentiment de dépression risque à force de déteindre sur ce que nous devrions faire ensuite, s’emporte-t-il. Pour moi, c’est ridicule ; il est très important de savoir si le naturel est erroné. »

Les physiciens des particules, il fallait s’y attendre, réclament déjà à cor et à cri la construction d’un nouveau collisionneur. Le collisionneur circulaire chinois que préconise Nima devrait atteindre une énergie de collision de 100 TeV, mais ce n’est pas le seul projet à l’étude16. L’International Linear Collider, un accélérateur linéaire de particules, a également été bien accueilli, et les Japonais ont fait part de leur intérêt pour sa construction. Et le CERN envisage un super-LHC, avec une circonférence de 100 kilomètres, capable d’atteindre des énergies comparables à celles du collisionneur chinois. Et peut-être que là, enfin, nous trouverons SUSY.

« SUSY, franchement, ça me rappelle cette histoire du homard qui cuit lentement, dit Nima en revenant sur le passé de la théorie. On aurait dû la voir avec le LEP 1 ; puis dans les années 1990. Beaucoup de théoriciens du secteur que je respecte vraiment s’attendaient à ce qu’elle se montre avec le LEP. Moi, je m’y attendais.

» On ne l’a pas vue. Mais les gens ont considéré ça comme une chance, pas comme un problème. Ils ont pensé : “OK, ce que ça nous dit, c’est que la théorie doit aussi avoir une structure spéciale.”… Dans les années 1990, c’était une possibilité tout à fait raisonnable. Puis les limites se sont améliorées, et on a continué à ne pas les voir. Et dans les années 1990, le LEP a mesuré les couplages de jauges avec assez de précision, si bien que nous avons compris que les couplages de jauge ne répondraient pas au [modèle standard], mais qu’ils répondraient à SUSY. »

*

Dans une théorie de jauge, le paramètre le plus important est la « constante de couplage », qui détermine la force de l’interaction. Le modèle standard en compte trois, deux pour l’interaction faible et une pour l’interaction forte. Ces constantes sont invariables dans l’espace et le temps, mais leur valeur dépend de la résolution du processus qui permet de les mesurer. C’est un exemple du flux dans l’espace des théories mentionné plus haut.

Puisque nous avons besoin de hauts niveaux d’énergie pour sonder les distances courtes, la basse résolution correspond à un faible niveau d’énergie, la haute résolution à un haut niveau d’énergie.

En physique des hautes énergies, ce qui n’est peut-être pas surprenant, il est plus courant de penser au flux dans l’espace des théories comme un changement d’énergie et non de résolution. Les constantes de couplage « courent » alors avec de l’énergie, comme le disent les physiciens, et leur course peut être calculée.

FIGURE 8. Extrapolation schématique (ligne en pointillé) des forces des interactions du régime mesuré à hautes énergies (ligne continue). Avec la supersymétrie, la courbe se rencontre en un point, en assumant que les particules de SUSY commencent à apparaître rapidement (à des énergies proches de la barre grise). Au-delà de l’énergie d’unification, les forces individuelles des interactions perdent leur importance.

Quand on effectue ce calcul pour le modèle standard, les courbes sont d’accord avec les mesures effectuées à des niveaux d’énergie actuellement accessibles. Extrapolées à de plus hauts niveaux d’énergie, les forces des interactions se rencontrent en trois points différents (voir figure 8, en haut). Si on ajoute la supersymétrie, cependant, elles se rencontrent en un seul point (jusqu’à l’incertitude des mesures avec des niveaux d’énergie faibles), ce que l’on appelle « l’unification du couplage de jauge » (figure 8, en bas). Si, fondamentalement, il n’y a qu’une seule symétrie de jauge, il n’y a aussi fondamentalement qu’une seule constante de couplage et, par conséquent, les trois couplages différents doivent finir par converger. La correspondance des couplages à de hauts niveaux d’énergie est une des principales raisons qui expliquent que l’on défende cette théorie. L’unification du couplage de jauge est-elle nécessaire ? Non. Est-elle jolie ? Ça, c’est sûr.

*

« Je crois que c’est vers 1991, 1992 que l’enthousiasme pour SUSY a sans doute atteint son paroxysme, commente Nima. Mais depuis, il faiblit. Quand elle ne s’est pas montrée au LEP 2, beaucoup de gens de la communauté ont dit qu’il y avait un problème, qu’on aurait dû s’en apercevoir plus tôt. Si aucun de ces superpartenaires n’est présent, alors pourquoi l’unification de couple de jauge fonctionne ? Et que dire de la matière noire, pourquoi ça marche ?

‒ Eh bien, en fait, on ne sait pas si ça marche, dis-je.

‒ Certes, certes, reconnaît Nima.

‒ Ça donne un candidat ?

‒ OK, fait-il, pourquoi est-ce que ça semble donner un candidat ? Pourquoi est-ce que ça a l’air de vouloir marcher ? »

Je garde le silence. Difficile de croire qu’il ne s’agit que d’une coïncidence sans importance. SUSY poursuit si naturellement la quête de l’unification, elle fonctionne si joliment, s’adapte si douillettement ‒ tout ça ne peut pas être que le vœu pieux de physiciens victimes de leur mentalité de troupeau. Soit c’est moi l’imbécile, soit c’est un millier de gens, avec leurs prix et leurs récompenses. Les statistiques ne plaident pas en ma faveur.

« Pour revenir à la question de savoir pourquoi les gens continuent à travailler dessus, reprend Nima, pour commencer, l’intérêt suscité par SUSY a chuté. Je veux dire : il y a encore des gens qui travaillent dessus. Il y a pas mal de maladies dans le monde universitaire, et l’une d’elles, c’est qu’on continue à faire ce qu’on a toujours fait. Bizarrement, en fait, tout le monde finit par travailler au prolongement analytique de ce qu’ils ont fait pour leur doctorat *. Mais ce qu’il y a de bien, c’est que les expérimentalistes ne s’en soucient pas.

‒ Quand même, on a besoin des théoriciens pour dire aux expérimentalistes où chercher.

‒ C’est vrai », concède-t-il.

Mais je suis d’accord, et je m’en réjouis, nous sommes sur la bonne voie. Tout va bien. Reprenons nos recherches, construisons le prochain collisionneur, découvrons ce qui se passe avec le boson de Higgs. Nous n’avons pas besoin de l’aide des philosophes.

Dans l’avion de retour pour Francfort, loin de l’enthousiasme de Nima, je comprends pourquoi il est aujourd’hui si influent. Contrairement à moi, il croit en ce qu’il fait.

La diarrhée du diphoton commence

Nous sommes le 15 décembre 2015. Comme des milliers de mes collègues dans le monde entier, je suis la retransmission en direct d’un programme depuis le CERN. Aujourd’hui, les collaborateurs des deux plus grandes expériences du LHC, CMS et ATLAS, vont présenter les premiers résultats du second faisceau, des mesures qui ont sondé des distances plus courtes qu’aucune expérience jusque-là.

Jim Olsen, de l’équipe CMS, prend la parole. Il entreprend de détailler la configuration du détecteur et les méthodes d’analyse de la collaboration. J’aimerais pouvoir appuyer sur la touche « avance rapide ». C’est peut-être le jour où le modèle standard va commencer à s’effondrer ‒ c’est des données que je veux voir, pas des photos d’aimants ;

Dans le premier faisceau, on avait décelé de modestes déviations par rapport aux prédictions du modèle standard. Des déviations de ce genre peuvent surgir par hasard, c’est d’ailleurs souvent le cas, puisqu’elles résultent de fluctuations aléatoires. Les chercheurs attribuent par conséquent un degré de fiabilité à toute déviation par rapport à leurs meilleures théories du moment, quantifiées par la probabilité que la déviation ne soit qu’accidentelle. Les valeurs aberrantes du premier faisceau avaient une probabilité d’environ 1 sur 100 d’être dues au hasard. Des fluctuations de cet ordre apparaissent et disparaissent tout le temps, il n’y avait donc pas de quoi s’emballer.

Maintenant, Olsen décrit les résultats de CMS. Effectivement, toutes les fluctuations du premier faisceau ont perdu en importance, ce qui veut dire qu’il s’agit presque certainement de bruit blanc. La collaboration a analysé plus en détail les données du second faisceau en quête de signes des idées en vogue depuis quelques années. L’équipe n’a rien trouvé : pas de preuve d’autres dimensions, pas de superpartenaires, pas de mini-trous noirs, pas de quatrième génération de fermions. L’annonce, très médiatisée, n’est qu’une litanie de résultats nuls. Je me demande ce que va en penser Gordon Kane.

Puis, à la toute fin de son intervention, Olsen révèle une nouvelle déviation par rapport au modèle standard : trop d’événements dans une décomposition, avec pour conséquence que deux photons sont restés à la traîne. Baptisé l’« anomalie du diphoton », cet excès ne colle avec aucune des prédictions existantes. Il est incompatible avec toutes les théories que nous connaissons. Là-dessus, Olsen passe la parole à Marumi Kado, de la collaboration ATLAS.

La présentation de Kado est presque identique à celle d’Olsen. Les anciennes fluctuations se sont estompées, mais ATLAS aussi a constaté un excès de diphotons là où il ne devrait pas y en avoir. Les deux expériences l’ayant vu indépendamment, cela réduit le risque que le signal ne soit qu’une coïncidence. Considérées ensemble, leurs données signifient qu’il y a 3 chances sur 10 000 que l’excès soit une fluctuation aléatoire. C’est encore très en dessous du critère de certitude que requièrent les physiciens des particules pour une découverte, à savoir environ 1 sur 3,5 millions. Mais nous y sommes peut-être ‒ c’est peut-être la première étape sur la voie qui mène à une loi plus fondamentale de la nature. Aussitôt, nous nous mettons à en débattre.

Un jour plus tard, le serveur en accès libre arXiv.org signale dix nouveaux articles sur l’anomalie du diphoton.

EN BREF

* Les physiciens théoriciens ne cessent de se plaindre des lois de la nature qu’ils ont découvertes jusqu’à présent. Ils détestent particulièrement les nombres non naturels.

* Le naturel a servi de guide au développement théorique depuis au moins le XVIe siècle. Parfois avec succès, parfois non.

* Le naturel n’est pas un critère mathématique. C’est une exigence de beauté formulée mathématiquement. Son manque de succès ne justifie même pas son utilisation comme étant fondée sur l’expérience.

* C’est une blague de scientifique. Une fonction définie par des nombres réels peut, en nécessitant certaines propriétés d’élégance, être exceptionnellement prolongée sur le plan complexe. On parle alors de « prolongement analytique » de la fonction, ce qui veut dire qu’elle continue à faire ce qu’elle faisait déjà.

Chapitre 5

Théories idéales

Où je me mets en quête de la fin de la science, mais découvre que les physiciens théoriciens sont doués d’une imagination sans limites. Je m’envole pour Austin, écoute Steven Weinberg sans rien dire et prends conscience de tout ce que nous sommes prêts à faire pour simplement échapper à l’ennui.

Surprenez-moi ‒ mais pas trop

Vous seriez surpris de savoir tout ce que Bach a en commun avec les Beatles.

En 1975, Richard Voss et John Clarke, deux physiciens de Berkeley, étudiaient le bruit dans les appareils électroniques1. Histoire de s’amuser, ils ont ensuite appliqué leur méthode à différents types de musique. Occidentale et orientale, blues, jazz ou classique, toutes présentent une logique commune : si le volume et la hauteur diffèrent d’un style à un autre, la variation décroît universellement avec l’inverse de la fréquence, ce que l’on appelle le « spectre 1/f ». Cela signifie que les variations longues sont plus rares, mais elles n’ont pas de longueur de prédilection ‒ elles peuvent être de n’importe quelle durée.

Le spectre 1/f n’a, théoriquement, aucune échelle de temps typique, même si l’on croit que la métrique ou la rythmique est un indicateur du type de musique. Leur étude révèle donc que les motifs sonores en musique présentent des auto-similarités ou des « corrélations » qui s’étendent sur toutes les échelles de temps. Le bruit blanc donne un spectre constant et aucune corrélation entre fluctuations. Une mélodie où l’on modifierait aléatoirement les hauteurs adjacentes aurait une corrélation forte et un spectre 1/f 2. Et entre les deux, comme l’ont montré Voss et Clarke, se trouvent Bach, les Beatles et tout ce que vous écoutez à la radio2.

Intuitivement, on peut en déduire que la bonne musique existe à la lisière entre prévisibilité et imprévisibilité. Quand nous allumons la radio, nous espérons être surpris ‒ mais pas trop. Il n’est donc pas si étonnant que la musique populaire applique des recettes relativement simples, et que l’on puisse reprendre le refrain en chœur.

Cette observation à propos de la musique est selon moi adaptée à d’autres domaines de la vie humaine. Dans les arts, l’écriture, et dans les sciences aussi, nous aimons être surpris, mais pas trop. Si cela est plus difficile à quantifier que des motifs sonores, les articles scientifiques doivent également parvenir à un équilibre entre l’ancien et le nouveau. La nouveauté, c’est bien, mais pas si elle exige trop de son public. Les vraies pop stars, comme les pop stars des sciences, sont les gens qui vivent juste à la lisière. Ce sont eux qui nous font nous donner une tape sur le front en marmonnant : « Mais pourquoi n’y ai-je pas pensé ? ».

Mais contrairement aux arts, les idées scientifiques ne sont pas une fin en elles-mêmes. Ce sont des moyens de parvenir à décrire le monde naturel. Dans les sciences, de nouvelles données peuvent imposer le changement. Or, que se passerait-il s’il n’y avait plus de nouvelles données ? Alors, nous réinventons les tubes du passé, de façon plus ou moins évidente. Et les nouvelles théories scientifiques, comme les nouvelles chansons pop, restent des variations sur des thèmes déjà familiers.

*

En physique théorique, les thèmes qui sont aujourd’hui à la mode sont la simplicité, le naturel et l’élégance. Ces termes ne sont à strictement parler jamais définis, et je ne vais pas tenter d’en donner une définition non plus. Je vais juste vous expliquer comment on les utilise.

La simplicité

La simplicité, ça veut dire faire la même chose, mais avec moins. Comme Einstein l’a déjà observé, une théorie devrait être « aussi simple que possible et pas plus simple que ça ». L’exigence de simplicité ne peut en elle-même servir au développement théorique, car il y a beaucoup de théories plus simples que celles qui décrivent notre univers. Pour commencer, il n’y a aucune bonne raison pour expliquer l’existence de notre univers, et qu’un univers contienne de la matière. Ou, pour faire appel à un exemple moins nihiliste, il est nettement plus simple de quantifier la gravité en deux dimensions, mais nous n’habitons tout simplement pas dans un tel univers.

La simplicité n’est donc qu’une valeur relative. Nous pouvons chercher une théorie plus simple qu’une autre, mais nous ne pouvons pas commencer à en élaborer une en nous basant uniquement sur la simplicité.

Il est presque tautologiquement vrai que, de deux théories qui accomplissent la même chose, les scientifiques finiront par choisir la plus simple, car pourquoi souhaiterions-nous nous compliquer la vie plus qu’il n’est nécessaire ? Historiquement, il y a parfois eu un décalage dans cette affirmation, quand la simplicité entrait en conflit avec d’autres idéaux chéris des scientifiques, comme la beauté du mouvement circulaire des planètes. Mais la paresse l’a toujours emporté, du moins jusqu’à présent.

Cela n’est que presque tautologique parce que la simplicité se livre à un bras de fer incessant avec l’exactitude. Des paramètres supplémentaires, et donc moins de simplicité, garantissent généralement que les données soient plus justes, et nous pouvons utiliser des mesures pour calculer si une meilleure adéquation des données justifie un nouveau paramètre. On peut débattre du pour et du contre de différentes mesures, mais pour notre exercice, il suffira de signaler qu’il y a un domaine où l’on recherche effectivement des extensions théoriques susceptibles d’entrer en conflit avec la simplicité. Ce domaine s’appelle la phénoménologie3.

La complexité computationnelle, qui se mesure par la longueur d’un programme informatique qui effectue un calcul, est un moyen de quantifier objectivement la simplicité. La complexité computationnelle est en principe quantifiable pour toute théorie qui peut être convertie en code informatique, ce qui comprend le type de théories que nous utilisons actuellement en physique. Mais nous ne sommes pas des ordinateurs, et la complexité computationnelle est donc une mesure que nous employons vraiment. L’idée humaine de simplicité est au contraire essentiellement basée sur la facilité d’application, étroitement liée à notre capacité à comprendre une idée, à la garder à l’esprit et à la tripoter jusqu’à ce qu’un papier soit pondu.

Afin de parvenir à la simplicité pour de nouvelles lois présumées de la nature, les théoriciens, de nos jours, s’efforcent de limiter le nombre de suppositions. Cela peut se faire en réduisant le nombre de paramètres, le nombre de champs ou, plus généralement, le nombre d’axiomes d’une théorie. Actuellement, les moyens les plus courants sont l’unification et l’addition de symétries.

Einstein aussi rêvait d’une théorie fondamentale sans paramètres inexpliqués :

« La nature est ainsi constituée qu’il est possible d’établir des lois si solidement déterminées que dans le cadre de ces lois seules sont présentes des constantes déterminées rationnellement et complètement (et non des constantes, donc, que l’on pourrait changer sans détruire totalement la théorie)4. »

Ce rêve est encore le moteur de la recherche de nos jours. Mais nous ne savons pas si des théories plus fondamentales doivent être nécessairement plus simples. La supposition qu’une théorie plus fondamentale soit également plus simple ‒ au moins d’un point de vue perceptif ‒ est de l’ordre de l’espoir, et non quelque chose que nous avons vraiment des raisons d’attendre.

Le naturel

Contrairement à la simplicité, qui examine minutieusement le nombre de suppositions, le naturel évalue le type des suppositions. Il incarne la volonté de se défaire de l’élément humain en exigeant qu’une théorie « naturelle » n’utilise pas des suppositions délibérément sélectionnées.

Le naturel technique se distingue du naturel général en ce qu’il ne s’applique qu’aux théories quantiques des champs. Mais tous deux ont une base commune : il faut éviter toute supposition qui ne résulterait pas du hasard.

Le critère naturel ne sert cependant à rien sans d’autres suppositions, des suppositions qui impliquent de faire un choix inexpliqué, lequel nous ramène à la sélection. Le problème étant qu’il y a un nombre infini de possibilités que quelque chose soit dû au hasard, et par conséquent, la référence au hasard passe déjà nécessairement par un choix.

Prenons un exemple. Vous avez un dé à six faces de forme classique. Avec lui, la probabilité d’obtenir un chiffre plutôt qu’un autre est la même : 1/6. Mais si votre dé est de forme bizarre, la probabilité pourrait être différente pour chaque face. Nous disons que le dé de forme bizarre a une « répartition de probabilité » différente, c’est-à-dire une fonction qui encode la probabilité que chaque résultat possible se produise. Il peut s’agir de n’importe quelle fonction, du moment que toutes les probabilités ajoutent à 1.

Donc, quand on dit que quelque chose est aléatoire sans ajouter de qualificatif, cela signifie qu’il s’agit d’une répartition de probabilité uniforme, autrement dit une répartition où la probabilité est égale pour chaque résultat, comme dans le cas d’un dé normal. Mais pourquoi la répartition de probabilité pour les paramètres d’une théorie devrait-elle être uniforme ? Nous ne disposons que d’une série de paramètres qui décrivent nos observations. C’est comme si quelqu’un nous donnait le résultat d’un seul lancer de dé. Cela ne nous dit rien sur la forme du dé. La répartition uniforme, comme le dé normal, peut paraître jolie. Or, c’est justement le genre de choix humain dont la volonté de naturel cherche à se débarrasser *.

Pire encore, même si vous sélectionnez une répartition de probabilité, le naturel reste un critère sans valeur parce qu’il rend immédiatement non naturelles toutes les théories que l’on est en mesure de concevoir. La raison en est que les exigences du naturel sont actuellement appliquées de manière sélective à seulement un type de supposition : les nombres adimensionnels. Mais pour développer des théories, nous utilisons beaucoup d’autres suppositions qui sont choisies « uniquement » pour expliquer des observations. Nous n’avons simplement pas l’habitude de le dire.

La stabilité du vide en est un exemple. Cette idée, communément admise, garantit que l’univers qui nous entoure ne se désintègre pas spontanément, et nous avec. Ce qui paraît somme toute raisonnable. Mais il y a une infinité de « mauvaises » théories dans lesquelles cela peut se produire. Ces théories ne sont pas mauvaises parce qu’elles ne sont pas valides sur le plan mathématique, elles sont mauvaises parce qu’elles ne décrivent pas ce que nous voyons. La stabilité du vide n’est choisie que dans le but de décrire la nature, et pourtant, personne ne va jamais lui reprocher d’avoir été sélectionnée et d’être « non naturelle ». Il y a bien d’autres suppositions du même genre que nous sélectionnons simplement parce qu’elles fonctionnent, non parce qu’elles sont probables d’une façon ou d’une autre. Et si nous sommes prêts à accepter toutes ces suppositions « juste parce que », pourquoi ne pas accepter de sélectionner un paramètre ?

« Ah, c’est qu’il faut bien commencer quelque part, me direz-vous. Alors, commençons par expliquer les paramètres, et après, on passera aux suppositions plus complexes. »

Écoutez, vous répondrai-je, le simple fait de chercher à justifier pourquoi nous utilisons exactement ces suppositions, c’est de la bouillie sur le plan logique : si vous désapprouvez la sélection de suppositions par des moyens autres que mathématiques, alors, la seule condition autorisée pour une théorie de physique, c’est sa cohérence mathématique. Par conséquent, toutes les séries d’axiomes logiquement cohérents sont aussi valides l’une que l’autre, et il y en a une infinité. Mais ça ne sert absolument à rien pour décrire la nature ‒ nous ne voulons pas simplement dresser une liste de théories cohérentes, nous voulons expliquer nos observations. Et pour ça, nous avons forcément besoin de comparer prédiction et observation afin de sélectionner les suppositions utiles pour nos théories. Et c’était ce que nous faisions avant de nous laisser enivrer par des idéaux comme le naturel.

Du reste, l’idée que les nombres proches de 1 seraient d’une certaine façon préférables n’est pas non plus ancrée dans les mathématiques. Creusez un peu dans des domaines obscurs des mathématiques, et vous allez trouver des nombres de toutes les tailles et de toutes les formes, il y en a pour tous les goûts. Le nombre d’éléments de ce que l’on appelle à juste titre le « groupe monstre » en est un exemple frappant. Il se monte à :

808 017 424 794 512 875 886 459 904 961 710 757 005 754 368 000 000 000.

Soit à peu près 1054, si vous n’avez pas envie de faire le décompte. Heureusement, aucun nombre de cette taille n’a aujourd’hui besoin d’être expliqué en physique. Sinon, je suis sûre que quelqu’un aurait essayé d’utiliser le groupe monstre pour y parvenir.

Donc, non, nous ne pouvons pas accuser les maths d’être à l’origine de notre penchant pour les nombres qui nous font nous sentir bien.

Ne vous méprenez pas ‒ je suis d’accord sur le fait qu’il vaut mieux, en général, avoir une meilleure explication pour toute supposition que nous avançons. Je suis juste contre l’idée que certains nombres en particulier aient besoin d’être expliqués, alors que d’autres problèmes restent sur le carreau.

Je m’empresse d’ajouter que ce n’est pas comme si le naturel ne servait jamais à rien ? On peut l’appliquer si l’on connaît la distribution de probabilité ‒ par exemple, la distribution des étoiles dans l’univers, ou la distribution des fluctuations dans un milieu. Nous sommes à même de déterminer ce qui est ou n’est pas une distance « naturelle » jusqu’à l’étoile voisine, ou un événement « probable ». Et si nous avons une théorie qui, comme le modèle standard, s’avère après inspection disposer de plusieurs paramètres naturels, il est raisonnable d’extrapoler à partir de cette régularité et de fonder des prédictions sur elle. Mais si la prédiction échoue, nous devrions en prendre note et passer à autre chose.

En pratique, la domination du naturel fait que vous ne parviendrez à convaincre personne d’entreprendre une expérience sans un argument expliquant pourquoi de nouvelles lois de la physique sont « naturellement » censées apparaître dans le cadre de cette expérience. Pendant des décennies, il a donc été possible de prédire de nouveaux effets qui se trouvaient justement être mesurables grâce à une nouvelle expérience. Et si cette expérience ne trouvait rien, on révisait les prédictions pour qu’elles entrent dans le cadre de la suivante.

L’élégance

Enfin, il y a l’élégance, le plus insaisissable de ces critères. Elle est souvent décrite comme un mélange de simplicité et de surprise qui, ensemble, révèlent de nouvelles connaissances importantes. Nous trouvons de l’élégance dans ce que nous appelons l’effet Eurêka, ce moment de clairvoyance où tout se met en place. C’est ce que le philosophe Richard Dawid définit comme la « conclusion explicative inattendue » ‒ cette connexion qui s’opère, de manière inattendue, entre des éléments jusque-là sans rapport. Mais c’est aussi quand le simple accouche du complexe, dévoilant le nouveau panorama d’un territoire inconnu, une structure qui se révèle d’une grande richesse, alors que, étonnamment, elle est née d’une volonté d’économie.

L’élégance est un critère outrageusement subjectif, et si elle exerce une influence réelle, personne n’a tenté de la formaliser et de l’utiliser dans le développement théorique. Jusqu’à présent. Richard Dawid est le premier à s’être efforcé de définir un sens de l’élégance par la conclusion explicative inattendue dans la méthode d’évaluation des théories qu’il propose. Mais dans la mesure où il s’agit bien d’une conclusion explicative, c’est parce qu’elle répond à une exigence de cohérence, laquelle est en fait une exigence de qualité. Et si la conclusion en question doit être « inattendue », c’est parce qu’elle prend en compte la capacité du cerveau humain à anticiper les résultats mathématiques avant qu’ils n’aient été déduits. Et donc, elle reste un critère subjectif.

La beauté est alors une combinaison de ces trois éléments : la simplicité, le naturel et une dose d’inattendu. Et nous respectons ces règles. Après tout, nous voulons bien surprendre, mais pas trop.

*

Plus je tente de comprendre la dépendance de mes collègues envers la beauté, moins elle me paraît sensée. J’ai dû laisser tomber la rigidité mathématique parce qu’elle repose sur la sélection de vérités a priori, un choix qui, lui-même, n’est pas rigide, ce qui en fait une idée absurde. De même, je ne suis pas parvenue à trouver une base mathématique à la simplicité, au naturel ou à l’élégance, chacun, en fin de compte, nous ramenant à des valeurs subjectives, humaines. En ayant recours à ces critères, je crains fort que nous n’outrepassions les limites de la science.

Il faut que quelqu’un me convainque de cette idée que je sens m’envahir, cette idée que les physiciens théoriciens vivent dans un délire collectif, qu’ils ne peuvent pas ou ne veulent pas admettre ce que leurs procédures ont de non scientifique. Je dois m’entretenir avec quelqu’un qui a, par son expérience personnelle, vérifié que ces critères fonctionnaient, une expérience qui me fait défaut. Et je sais précisément à qui m’adresser.

L’élevage de chevaux

Nous sommes en janvier, et je me trouve à Austin, au Texas. J’ai tellement peur d’être en retard que j’arrive avec une heure d’avance à mon rendez-vous avec Steven Weinberg. Pour tuer le temps, je me prends un énorme café. J’en suis à la moitié de ma tasse quand un jeune homme se présente, qui me demande s’il peut s’asseoir avec moi. Bien sûr, dis-je. Il pose un gros livre sur la table et commence à le consulter en prenant des notes. Je jette un œil sur les équations. De la mécanique classique, le tout début du premier semestre de physique théorique.

Une foule d’étudiants passent en bavardant. Je demande au jeune homme studieux s’il sait à quelle conférence ils ont assisté. « Non, désolé », me répond-il, avant d’ajouter qu’il n’est là que depuis deux semaines. Je lui demande s’il a décidé dans quel domaine de la physique il veut se spécialiser. Il me dit qu’il a lu les livres de Brian Greene et qu’il s’intéresse beaucoup à la théorie des cordes. Je lui explique qu’il y a d’autres domaines tout aussi passionnants, que la physique, ce n’est pas des maths, et que la logique à elle seule ne suffira pas à trouver la bonne théorie. Mais je ne pense pas que ce que je peux dire pèse beaucoup face à Greene.

Je donne mon adresse électronique au jeune homme, puis me lève et m’engage dans un couloir sans fenêtre, orné de vieilles affiches de conférences et d’annonces de séminaires, jusqu’à ce que je trouve une porte avec, sur la plaque, la mention : « Prof. Steven Weinberg ». Je regarde à l’intérieur, mais le professeur n’est pas encore là. Sa secrétaire m’ignore, alors, j’attends, occupée à contempler mes pieds, jusqu’à ce que j’entende des pas dans le couloir.

« Je suis censé parler avec un auteur, maintenant, déclare Weinberg en considérant les alentours, mais il n’y a que moi. C’est vous ? »

Toujours prompte à trouver de nouvelles occasions d’avoir l’impression de ne jamais être à ma place, je réponds oui, tout en pensant que je n’ai rien à faire là, que je ferais mieux d’être à mon propre bureau, à lire un article, rédiger un projet, ou au moins un rapport d’examinateur. Je ne devrais pas chercher à psychanalyser une communauté qui n’a ni le besoin ni l’envie de suivre une thérapie. Et je ne devrais pas me faire passer pour ce que je ne suis pas.

Un sourcil levé, Weinberg m’indique son bureau.

Lequel, s’avère-t-il, fait à peu près la moitié du mien, constatation qui achève de torpiller le peu d’ambition que j’avais jamais eue d’empocher un prix Nobel. Certes, je n’ai aucun de tous les titres honorifiques que je vois accrochés au mur. Ni mes propres livres alignés sur mon bureau. Weinberg en est aujourd’hui à plus d’une dizaine.

Son Gravitation and Cosmology a été le premier manuel que je me suis jamais acheté. Son prix était si prohibitif que pendant presque toute une année je l’ai traîné partout avec moi, de peur de l’égarer. Il m’accompagnait à la salle de sport. Je mangeais avec lui. Je dormais avec lui. Un jour, j’ai même fini par l’ouvrir.

Il est doté d’une couverture d’un bleu sombre, orné de lettres d’or, comme une véritable invitation à la poussière. Vous pouvez imaginer mon enthousiasme quand je me suis aperçue que son auteur était toujours en vie et non, comme je l’avais cru, un contemporain depuis longtemps défunt d’Einstein et Heisenberg, les hommes qui, jusque-là, avaient composé l’essentiel de ma littérature. D’ailleurs, non seulement il était toujours vivant, mais dans les années qui suivirent, il rédigea encore trois tomes sur la théorie quantique des champs. Avec lesquels j’ai dormi aussi.

Aujourd’hui âgé de plus de 80 ans, Weinberg continue à travailler dans la recherche et à écrire des livres, la sortie du dernier étant annoncée. S’il y a quelqu’un sur cette planète qui soit capable de me dire pourquoi je dois m’appuyer sur la beauté et le naturel dans mes propres recherches, c’est bien lui. J’agrippe mon carnet de notes, me trouve un siège, et espère avoir l’air assez digne d’être un auteur.

Enfin, me dis-je en actionnant mon dictaphone, je vais pouvoir en savoir plus sur ce fichu éleveur de chevaux.

« Vous avez établi cette analogie avec un éleveur de chevaux. Ça semble suggérer que le fait de prêter attention à la beauté dans le développement théorique est basé sur l’expérience ?

‒ Oui, c’est ce que je crois, répond Weinberg. Si vous remontez aux Grecs de la période hellénistique, jusqu’à l’époque d’Aristote… »

On m’avait prévenue, Weinberg ne parle pas aux gens, il leur tient un discours. Maintenant, je comprends ce qu’ils entendaient par là. Et permettez-moi de vous le dire, il parle comme un livre, presque prêt à être envoyé à l’imprimerie.

« Si vous remontez aux Grecs de la période hellénistique, jusqu’à l’époque d’Aristote, ils semblent avoir estimé qu’ils étaient doués d’un sens inné de la justesse, ce qui avait un caractère moral. Par exemple, Parménide avait une théorie de la nature incroyable, qui assurait que rien ne change jamais. L’expérience le contredit, mais il ne s’est jamais donné la peine de réconcilier les apparences avec sa théorie de l’inchangeabilité. Il a avancé cette théorie uniquement au nom de la simplicité et de l’élégance et un peu par snobisme, je crois, comme si le changement était toujours moins noble que la permanence.

» Nous avons appris à faire mieux que ça. Nous avons appris que quelles que soient les théories que nous suggèrent nos idées esthétiques il faut d’une façon ou d’une autre les confronter à la véracité de l’expérience. Et au fil du temps, nous avons appris non seulement que les théories suggérées par notre sens de la beauté doivent être confirmées par l’expérience, mais progressivement, notre sens de la beauté change d’une manière qui découle de notre expérience.

» Par exemple, cette merveilleuse conception d’une vision holistique de la nature, à savoir que les valeurs qui affectent la vie humaine ‒ l’amour, la haine, le conflit, la justice, et ainsi de suite ‒ peuvent plus ou moins être appliquées au monde inanimé, ce tableau holistique de la nature, dont l’astrologie est un bon exemple ‒ elle qui prétend que ce qui se passe dans les cieux a un lien direct avec ce qui se passe chez l’homme ‒ on le considérait comme particulièrement beau, parce que c’était une théorie unifiée de tout. Mais nous avons appris à y renoncer. Nous n’essayons plus de trouver de valeurs humaines dans les lois de la nature. Nous ne parlons pas de particules élémentaires nobles, ou de la diffusion qui se produirait dans une réaction nucléaire afin de parvenir à un résultat “juste”, comme le faisait Anaximandre.

» Notre sens de la beauté a changé. Et comme je l’ai décrit dans mon livre, la beauté que nous recherchons aujourd’hui, non dans les arts, dans la décoration d’intérieur, ou dans l’élevage de chevaux, mais la beauté que nous recherchons dans les théories de la physique, c’est la beauté de la rigidité. Nous aimerions des théories qui, autant que possible, ne pourraient être modifiées sans que l’on aboutisse à des impossibilités, comme des incohérences mathématiques.

» Par exemple, dans le modèle standard moderne des particules élémentaires, nous avons six sortes de quarks et six sortes de leptons**. Donc, ils sont en nombre égal. On pourrait trouver que c’est bien joli, cette correspondance exacte. Mais ce qu’il y a de vraiment joli, là-dedans, c’est que s’il n’y avait pas de correspondance, nous n’aurions pas de cohérence mathématique. Les équations seraient face à un problème que, dans notre métier, nous appelons une “anomalie”, et nous n’aurions pas de cohérence. Dans le cadre du formalisme d’ensemble du modèle standard, il faut qu’il y ait un nombre égal de quarks et de leptons.

» Nous trouvons ça beau parce que, pour commencer, ça satisfait notre désir d’explication. Sachant qu’il y a six types de quarks, nous pouvons comprendre pourquoi il y a aussi six types de leptons. Mais ça satisfait aussi le sentiment que nous sommes face à quelque chose qui est presque inéluctable. La théorie que nous avons s’explique d’elle-même. Pas entièrement ‒ nous ne savons pas pourquoi il y en a six, plutôt que quatre, douze, ou n’importe quel autre nombre pair ‒, mais dans une certaine mesure, elle s’explique d’elle-même en termes de cohérence mathématique. Et c’est merveilleux, parce que ça nous fait avancer dans notre volonté d’expliquer le monde, pour reprendre le titre de mon dernier livre5. »

En bref, dit-il, nous sommes tellement plus malins aujourd’hui qu’autrefois, parce que les mathématiques nous empêchent de nous livrer à des suppositions vagues ou mutuellement contradictoires. Dans son récit, les physiciens théoriciens sont des demi-dieux de la science, qui ne cessent de se rapprocher de leur rêve d’une théorie définitive. Oh ; comme je voudrais y croire ; Mais je ne peux pas. Et comme c’est mon manque de foi qui m’a amenée ici, je conteste l’idée d’une théorie qui s’explique d’elle-même.

« Mais la cohérence mathématique a l’air d’une condition assez fragile, objecté-je. Il y a beaucoup de choses qui sont mathématiquement cohérentes et qui n’ont rien à voir avec le monde.

‒ Oui, c’est vrai, opine Weinberg. Et selon moi, au bout du compte, la cohérence mathématique ne constituera pas une condition assez robuste pour identifier une éventuelle théorie unique. Le mieux que nous puissions espérer, c’est une théorie unique au sens où elle est la seule théorie mathématiquement cohérente qui est riche, qui a des tas et des tas de phénomènes, et qui, en particulier, rend possible l’apparition de la vie.

» Voyez-vous, poursuit-il, je suis sûr que vous avez raison quand vous dites que la cohérence mathématique ne suffit pas, parce que nous pouvons inventer des théories dont nous pensons qu’elles sont mathématiquement cohérentes et qui ne décrivent assurément pas le monde réel. Comme une théorie avec une seule particule, qui n’interagit avec rien, qui se trouve dans un espace vide où il ne se passe jamais rien ‒ c’est une théorie cohérente sur le plan mathématique. Mais elle n’est ni très intéressante ni riche. Et peut-être le monde réel est-il régi par la seule théorie mathématiquement cohérente qui permet un monde riche, des tas de phénomènes, des tas d’histoires. Mais nous sommes très loin d’être arrivés à cette conclusion. »

Imaginez que nous réussissions. Imaginez que des physiciens théoriciens démontrent qu’il n’y a qu’une seule loi absolue de la nature qui aurait pu nous créer. Enfin, tout aurait un sens : les étoiles et les planètes, la lumière et les ténèbres, la vie et la mort. Nous connaîtrions la raison du moindre hasard, nous saurions qu’il n’aurait pu en être autrement, que cela n’aurait pu être mieux, ni pire. Nous serions à égalité avec la nature, nous pourrions contempler l’univers et dire : « Je comprends ».

C’est le vieux rêve de donner du sens à ce qui n’en a apparemment pas. Et ce n’est pas qu’une question de sens. Forts de cette percée, les physiciens théoriciens deviendraient les arbitres de la vérité. Désormais certains de savoir comment défendre la loi naturelle, ils s’attaqueraient au reste de la science, déverrouilleraient les mystères qu’elle dissimule encore. Ils changeraient le monde. Ils deviendraient des héros. Et ils seraient enfin capables de calculer la masse du boson de Higgs.

Je vois bien ce que ça a d’attrayant. En revanche, je peine à croire que la déduction d’une loi unique de la nature soit autre chose qu’un rêve. Pour y arriver, je ne crois pas que le naturel puisse être un bon guide. Mais alors, y a-t-il une autre solution ? Weinberg a exprimé l’espoir qu’il n’y a qu’une seule « théorie mathématiquement cohérente qui permet un monde riche ». Mais il est facile d’aboutir à une théorie cohérente qui n’entre pas en conflit avec l’observation : il suffit d’en utiliser une qui ne fait pas de prédictions. Je me dis que ce n’est sans doute pas de cela qu’il parlait, aussi je déclare : « Mais cela impliquerait que la théorie soit assez prédictive pour pouvoir donner naissance aux paramètres nécessaires à la physique nucléaire et atomique complexe.

‒ Je ne sais pas, fait-il avec un haussement d’épaules. Peut-être que la théorie correcte permet l’apparition d’un grand nombre de différents Big Bangs à partir des premiers stades de l’univers. Dans ces différents Big Bangs, qui se produisent tous en même temps, les constantes de la nature sont très différentes, et on ne peut jamais prédire ce qu’elles sont, parce que quoi qu’elles soient, elles ne le sont que dans notre Big Bang. Ce serait comme essayer de prédire, à partir de principes premiers, la distance entre la Terre et le Soleil. Il est évident qu’il y a des milliards de planètes et qu’elles se trouvent toutes à des distances différentes de leurs étoiles, et c’est quelque chose que l’on ne pourra jamais espérer prédire. Et peut-être aussi qu’il y a un nombre illimité de Big Bangs. Et les valeurs des constantes de la nature sont juste ce qu’elles se trouvent être dans le Big Bang qui est le nôtre.

» Ce sont des spéculations délirantes, concède Weinberg. Nous ne savons pas si rien de tout cela est vrai. Mais c’est clairement une possibilité logique. Et il existe des théories de la physique où ce serait vrai. »

Des possibilités sans fin

Vous êtes un être humain sur les quelque 7 milliards de la planète. Votre Soleil est une étoile parmi la centaine de milliards de la Voie lactée. La Voie lactée est une galaxie parmi environ 100 milliards dans l’univers. Peut-être y a-t-il d’autres univers qui constituent ce que nous appelons le « multivers ». Ça n’a pas l’air si énorme que ça ? Le multivers est actuellement l’idée qui suscite le plus la controverse en physique.

Le cosmologiste Paul Steinhardt dit de l’idée du multivers qu’elle est « baroque, non naturelle, invérifiable et, en fin de compte, dangereuse pour la science et la société6 ». D’après Paul Davies, il s’agit « simplement d’un déisme naïf déguisé en langage scientifique7 ». George Ellis avertit que les « partisans du multivers […] redéfinissent implicitement ce que l’on entend par “science”8 ». David Gross trouve que « ça sent les anges9 ». Pour Neil Turok, c’est « la catastrophe ultime10 ». Et l’écrivain scientifique John Horgan lance : « Les théories sur le multivers ne sont pas des théories ‒ c’est de la science-fiction, de la théologie, des œuvres de l’imagination qui ne s’embarrassent pas de preuves11. »

Dans l’autre camp, nous avons Leonard Susskind, qui estime qu’il est « enthousiasmant de penser que l’univers est peut-être beaucoup plus grand, plus riche et divers que nous ne l’avons jamais cru12 ». Bernard Carr explique que « la notion d’un multivers ouvre une nouvelle perspective sur la nature de la science, et [qu’il] n’est pas étonnant que cela cause un inconfort intellectuel13 ». Max Tegmark soutient que les adversaires du multivers sont « incapables, sur le plan émotionnel, d’imaginer que nous n’occupions plus le devant de la scène14 ». Et Tom Siegfried pense que les critiques adoptent « la même attitude que celle qui a poussé certains scientifiques et philosophes du XIXe siècle à nier l’existence de l’atome15 ». Ouille.

Alors, où est le problème ? Le problème, c’est qu’Einstein nous a enseigné que rien ne peut se déplacer dans l’espace plus vite que la lumière. Cela veut dire qu’à tout moment la vitesse de la lumière impose une limite au-delà de laquelle nous ne pouvons rien voir, une limite que l’on appelle l’« horizon cosmologique ». Tout autre messager que la lumière serait plus lent ou ‒ dans le cas de la gravité elle-même ‒ tout aussi rapide qu’elle. Par conséquent, si quelque chose est si loin que la lumière qui en vient ne peut pas encore nous être parvenue, nous ne sommes pas à même de la voir pour dire si cette chose est bien là.

Mais si rien ne peut voyager dans l’espace plus vite que la lumière, l’espace lui-même ne connaît pas pareille limitation. Il peut s’étendre plus vite que la lumière ‒ et dans le multivers, il le fait ‒, et il y a donc des régions dont la lumière ne pourra jamais nous parvenir. Dans le multivers, tous les autres univers se trouvent dans des régions de ce genre, et sont ainsi causalement coupés de nous. Éternellement hors de notre portée. Et ainsi, disent les adversaires du multivers, on ne pourra jamais le mesurer, alors, ça ne fait pas partie du domaine de la science.

Les partisans du multivers ripostent que ce n’est pas parce qu’une théorie contient des éléments inobservables que la théorie ne peut pas effectuer de prédictions. Nous savons, depuis les débuts de la mécanique quantique, qu’il est mal avisé d’exiger de toutes les structures mathématiques d’une théorie qu’elles correspondent à des éléments observables. Par exemple, les fonctions d’onde ne sont pas en elles-mêmes mesurables. Ce qui est mesurable, c’est seulement la répartition de probabilité déduite de la fonction d’onde. Certes, c’est une situation qui ne fait pas que des heureux. Mais nous admettons tous que la mécanique quantique n’en connaît pas moins un remarquable succès.

Le point jusqu’où les physiciens sont prêts à accepter les ingrédients inobservables d’une théorie comme étant nécessaires dépend de leur confiance dans la théorie en question et de leur espoir qu’elle puisse ouvrir de nouvelles perspectives. Mais il n’y a, a priori, rien de non scientifique dans une théorie qui comporte des éléments inobservables.

Il serait peut-être possible d’obtenir des prédictions d’un multivers, bien qu’il soit pour l’essentiel inobservable, en étudiant la probabilité qu’un des univers du multivers dispose de lois de la nature semblables aux nôtres. Nous ne serions pas alors capables de vraiment déduire les lois fondamentales de la nature dans notre univers, mais nous pourrions quand même conclure quelles lois nous risquons d’observer. Et c’est le mieux que nous puissions faire, affirment les défenseurs de l’idée. C’est un changement de modèle, de perspective quant à ce que veut dire le fait qu’un énoncé soit de toute façon scientifique. Si vous n’y croyez pas, si vous n’acceptez pas cette nouvelle science, vous freinez le progrès et êtes désespérément arriéré, un fossile prêt à être enfoui dans les sédiments.

Il est impossible de calculer les probabilités dans le multivers, rétorquent les adversaires de l’idée, parce qu’il y a un nombre infini de possibilités, et que l’on ne peut utilement comparer des infinités entre elles. C’est possible, mais cela nécessite un plan mathématique ‒ une répartition de probabilité ou une « mesure » ‒ qui vous dira comment dompter les infinités. Et d’où vient cette répartition de probabilité ? Pour cela, il vous faut une autre théorie, et à ce stade, autant essayer de trouver une théorie qui ne produit absolument pas tous ces univers inobservables.

Ce n’est pas une question de choix, répliquent les avocats du multivers. Si nous vivons dans le meilleur des mondes possibles, qu’en est-il de tous les autres mondes possibles ? On ne peut pas se contenter de les ignorer. Ce n’est pas quelque chose que nous avons inventé, disent-ils ; nos théories nous forcent à l’avaler. Ce n’est pas nous, ce sont les maths qui nous y obligent. Et les maths ne mentent pas. Nous faisons simplement preuve d’objectivité, en bons scientifiques, ajoutent-ils. Si vous êtes contre ces réflexions, vous êtes dans le déni, vous refusez simplement d’en accepter les conséquences logiques dérangeantes.

Et ça dure depuis plus de vingt ans.

*

Nous n’avons aucune raison de croire que l’univers s’arrête au-delà de l’horizon cosmologique et qu’à partir de demain nous allons découvrir qu’il n’y a plus de galaxies au-delà de ce que nous pouvons voir aujourd’hui. Car personne ne sait, personne ne peut savoir jusqu’où se poursuit la répartition de galaxies semblables à celles qui nous entourent. Nous ne savons même pas si l’espace continue à l’infini ou s’il finit par former un tout pour donner naissance à un univers fini, fermé, dont le rayon est beaucoup plus grand que ce que nous voyons actuellement.

Cette continuation de l’univers tel que nous le connaissons est source de controverses, mais ce n’est pas ce que l’on entend normalement par « multivers ». Au lieu de cela, un multivers comprend des régions qui ne ressemblent à rien de ce que nous observons autour de nous. Et il y a divers types de ces multivers qui, selon les physiciens théoriciens modernes, sont les conséquences logiques de leurs théories :

1. L’inflation éternelle

Notre compréhension de l’univers primitif est limitée parce que nous ne savons pas grand-chose de la matière à des températures et des densités supérieures à ce que nous avons jusque-là été capables de tester. Nous pouvons néanmoins extrapoler nos théories ‒ le modèle standard et le modèle de concordance ‒ en partant du principe qu’elles continuent à fonctionner exactement de la même façon. Et si nous extrapolons le comportement de la matière jusqu’à des temps toujours plus reculés, nous devons en même temps extrapoler le comportement de l’espace-temps.

De nos jours, l’extrapolation du passé la plus communément admise veut que l’univers ait autrefois connu une phase d’expansion rapide, dite « inflation ». L’inflation est causée par un nouveau champ, l’« inflaton », qui a pour effet d’accélérer l’expansion de l’univers. L’inflaton fait exploser l’univers comme l’énergie noire, mais beaucoup plus vite. Quand l’inflation s’achève, l’énergie de l’inflaton est convertie en particules du modèle standard et en matière noire. À partir de là, l’histoire de l’univers se poursuit telle que nous l’avons évoquée au chapitre 4.

Il existe quelques indices en faveur de l’inflation, même s’ils sont rares. Malgré tout, les physiciens ont encore extrapolé cette extrapolation pour aboutir à ce que l’on appelle l’« inflation éternelle ». Dans l’inflation éternelle, l’univers où nous vivons n’est qu’un petit coin d’un espace beaucoup plus vaste ‒ en fait, infiniment vaste ‒, qui enfle et continuera à tout jamais à enfler. Mais l’inflaton a des fluctuations quantiques, des bulles où l’inflation cesse peuvent apparaître, et si une telle bulle devient assez importante, des galaxies peuvent s’y former. Notre univers existe dans une bulle de ce type. À l’extérieur de notre bulle, l’univers continue d’enfler, et des fluctuations quantiques aléatoires produisent d’autres univers-bulles ‒ éternellement. Ces bulles constituent le multivers. Si l’on considère que cette théorie est correcte, disent les défenseurs du multivers, alors les autres univers doivent être aussi réels que le nôtre.

L’idée de l’inflation éternelle est presque aussi vieille que celle de l’inflation ; elle s’est présentée comme un effet secondaire involontaire des premiers modèles inflationnistes en 198316. Mais l’inflation n’a guère attiré l’attention jusqu’au milieu des années 1990, quand les théoriciens des cordes ont découvert son utilité. Aujourd’hui, la plupart des modèles inflationnistes à l’étude aboutissent à un multivers, mais pas tous17.

Dans le multivers de l’inflation éternelle, avec un nombre infini de récurrences déclenchées par des fluctuations quantiques aléatoires, tout ce qui peut se passer se produira effectivement. L’inflation éternelle implique donc qu’il y ait des univers où l’histoire de l’humanité se déroule d’une façon qui est compatible avec les lois de la nature. Et dans certains d’entre eux, vous comprendrez ce que vous venez de lire.

2. Le paysage de la théorie des cordes

Les théoriciens des cordes espéraient découvrir une théorie de tout qui contiendrait à la fois le modèle standard et la relativité générale. Mais à partir de la fin des années 1980, il est devenu de plus en plus évident que la théorie ne pouvait pas prédire quelles particules, quels champs et paramètres se trouvent dans le modèle standard. Au lieu de cela, la théorie des cordes donne naissance à tout un paysage de possibles. Dans ce paysage, chaque point correspond à une version différente de la théorie, avec des particules, des paramètres et des lois de la nature différents.

Si l’on croit que la théorie des cordes est la théorie définitive, alors, ce manque de prévisibilité pose un problème sérieux : cela veut dire que la théorie ne peut pas expliquer pourquoi nous observons cet univers particulier. Donc, pour pouvoir affirmer que leur théorie est définitive malgré le manque de prévisibilité, les théoriciens des cordes ont dû admettre que n’importe quel univers possible dans ce paysage avait autant que le nôtre le droit d’exister. En conséquence de quoi nous vivons dans un multivers. Le paysage de la théorie des cordes s’est conjugué de façon pratique avec l’inflation éternelle.

3. Des mondes multiples

La théorie des mondes multiples est une variante de la mécanique quantique (nous y reviendrons au chapitre 6). Dans cette interprétation, au lieu que se réalise un des résultats dont la mécanique quantique prédit les probabilités, tous se réalisent, chacun dans son propre univers. Nous arrivons à ce tableau en retirant la supposition que le processus de mesure en mécanique quantique isole un résultat particulier. Une fois encore, on voit que c’est le recours aux mathématiques, associé au désir de simplicité, qui aboutit à des univers multiples.

Les mondes multiples de la mécanique quantique sont distincts des différents univers du paysage, puisque l’existence de mondes multiples n’implique pas nécessairement un changement des types de particules d’un univers à l’autre. Il est cependant possible de combiner ces différents multivers en un autre encore plus grand18.

4. L’univers mathématique

L’univers mathématique pousse l’idée de la théorie définitive à son paroxysme. Puisque toute théorie qui décrit notre univers requiert la sélection de certaines mathématiques parmi toutes les mathématiques possibles, une théorie absolument définitive ne peut justifier aucune sélection particulière, car cela nécessiterait une autre théorie pour l’expliquer. Donc, la conclusion logique doit être que la seule théorie définitive est celle où toutes les mathématiques existent, composant un multivers où la racine carrée de -1 est tout aussi réelle que vous et moi.

Cette idée de l’univers mathématique, où existent toutes ces structures mathématiques possibles, a été avancée par Max Tegmark en 200719. Elle englobe tous les autres multivers. Si elle bénéficie d’une certaine popularité auprès des philosophes, elle est ignorée par la plupart des physiciens.

Cette liste peut donner l’impression que le multivers est une nouveauté, mais la seule nouveauté, c’est l’insistance des physiciens à croire en sa réalité. Puisque chaque théorie nécessite des données découlant d’observations pour établir des paramètres ou choisir des axiomes, chaque théorie aboutit à un multivers quand elle manque de données. Car on peut alors dire : « Eh bien, tous ces choix possibles doivent exister, et donc, ils constituent un multivers. » Si le but est une théorie capable d’expliquer tout à partir de rien, alors les prédictions de cette théorie doivent à terme devenir ambiguës ‒ et le multivers est ainsi inévitable.

Newton, par exemple, aurait pu refuser de se contenter de mesurer la constante gravitationnelle et affirmer plutôt qu’il doit y avoir un univers pour chaque valeur possible. Einstein aurait pu soutenir que toutes les solutions aux équations de la relativité générale doivent exister quelque part dans le multivers. On peut créer un multivers pour chaque théorie ‒ il suffit pour cela de renoncer à une quantité suffisante de suppositions ou de liens avec des observations.

Mais si le multivers a connu une telle vogue, c’est parce que certains physiciens ne se satisfont plus d’une théorie qui décrit des observations. En s’efforçant de se surpasser, ils se débarrassent de trop de suppositions, puis ils concluent que nous vivons dans un multivers parce qu’ils ne peuvent plus rien expliquer.

Après tout, peut-être bien que je suis un fossile, prêt à être enfoui dans les sédiments.

La science a pour objectif de décrire nos observations de la nature, mais les prédictions d’une théorie peuvent être soumises à une longue période d’incubation avant d’éclore. Et donc, je pense qu’en prenant au sérieux les multivers, au lieu de les traiter comme les objets mathématiques qu’ils sont selon moi, on pourrait aboutir à de nouvelles perspectives. La question se résume dès lors à savoir à quel point il est possible que de nouvelles perspectives émergent de cette approche, ce qui me ramène au problème à l’origine de mon voyage : comment évaluer la promesse d’une théorie qui ne repose sur aucune observation ?

Les variantes du multivers ne sont pas toutes entièrement vérifiables. Dans l’inflation éternelle, par exemple, notre univers aurait pu entrer en collision avec un autre par le passé, et une « collision de bulles » de ce genre aurait pu laisser une signature observable dans le fond diffus cosmologique. On en a cherché, sans succès. Cela n’écarte pas l’hypothèse du multivers, mais élimine la possibilité qu’il y ait eu une telle collision.

D’autres physiciens ont suggéré que certaines variantes du multivers pourraient entraîner une répartition de petits trous noirs dans notre univers, ce qui a des conséquences qui pourraient bientôt être observables20. Mais une prédiction du multivers qui ne se réalise pas signifie simplement qu’il nous faut une distribution de probabilité qui rend improbable le phénomène non observé, donc, cherchons une distribution qui fonctionne. Cette approche de la cosmologie est aussi prometteuse que d’essayer de comprendre Guerre et Paix en ignorant tous les autres livres. Enfin, à leur décharge, au moins, ils essaient.

Les prédictions existantes démontrent que le multivers est, en principe, susceptible d’être testé, mais ces tests expérimentaux ne sont utiles que pour des scénarios très précis. La grande majorité des idées de multivers sont actuellement impossibles à tester, et le resteront à jamais.

Se retrouvant ainsi privés de la possibilité de tourner les manivelles de la science, certains physiciens théoriciens ont développé leur propre méthode d’évaluation des théories : ils parient. Le cosmologiste Martin Rees a parié son chien que la théorie du multivers était juste, Andreï Linde a parié sa vie, et Steven Weinberg a dit « avoir juste assez confiance dans le multivers pour parier à la fois la vie d’Andreï Linde et celle du chien de Martin Rees21 ».

Poker cosmique

Le multivers a gagné en popularité tandis que le naturel se retrouvait sur la sellette, et les physiciens les opposent désormais l’un à l’autre. Si on ne parvient pas à trouver une explication naturelle pour un nombre, argumente-t-on, alors, c’est qu’il n’y en a pas. Il est bien trop laid de se contenter de choisir un paramètre. Par conséquent, si le paramètre n’est pas naturel, il peut prendre n’importe quelle valeur, et pour chaque valeur possible, il y a un univers. Ce qui amène à l’étrange conclusion que si l’on ne voit pas de particules supersymétriques au LHC, c’est que nous vivons dans un multivers.

Je n’arrive pas à croire ce qu’est devenue cette profession autrefois respectable. Les physiciens théoriciens avaient coutume d’expliquer ce qui était observé. Maintenant, ils tentent d’expliquer pourquoi ils ne peuvent pas expliquer ce qui n’a pas été observé. Et même là, ils s’en tirent mal. Dans le multivers, on ne peut pas expliquer les valeurs des paramètres, on peut au mieux estimer leur vraisemblance. Mais il y a bien des façons de ne pas expliquer quelque chose.

« Donc, dis-je à Weinberg, dans le cas où nous vivrions dans un multivers, la condition qu’une théorie soit suffisamment intéressante, ou qu’elle donne lieu à de la physique assez intéressante, n’est-elle pas vide de sens ? On pourrait faire la même chose avec n’importe quelle théorie qui ne prédit pas les paramètres.

‒ Ah, mais il faut bien prédire certaines choses, me répond-il. Même si vous ne prédisez pas les paramètres, vous pouvez prédire la corrélation entre eux. Ou vous pouvez prédire les paramètres selon les termes d’une théorie donnée, comme le modèle standard, mais en plus puissant, et qui vous dira vraiment quelle est la masse de l’électron, et cætera, et ensuite, si vous vous demandez : “Pourquoi est-ce que cette théorie est correcte ?”, vous direz : “Eh bien, c’est le plus loin qu’on puisse aller, on ne peut pas aller au-delà.” »

Il continue : « Je ne suis pas particulièrement pressé d’établir les règles précises de ce que doit être une bonne théorie. Mais je peux assurément vous dire ce que doit être une meilleure théorie. Une théorie meilleure que le modèle standard, ce serait une théorie qui rend inévitable le fait que l’on ait six, plutôt que huit ou quatre quarks et leptons. Il y a beaucoup de choses qui paraissent arbitraires dans le modèle standard, et une meilleure théorie permettrait de les rendre moins arbitraires, voire pas arbitraires du tout.

» Mais nous ne savons pas jusqu’où nous pouvons aller dans cette direction, avoue-t-il. Je ne sais pas dans quelle mesure la physique des particules élémentaires peut s’améliorer par rapport à aujourd’hui. Je n’en ai tout simplement aucune idée. Je pense qu’il est important d’essayer de poursuivre les expériences, de continuer à construire de grandes installations. […] Mais à quoi ça aboutira, je n’en sais rien. J’espère que ça ne va pas s’arrêter là où nous en sommes maintenant. Parce que ça ne me paraît pas tout à fait satisfaisant.

‒ Les dernières données recueillies par le LHC vous ont-elles fait changer d’avis à propos de ce que doit être cette meilleure théorie ? lui demandé-je.

‒ Non, malheureusement pas, convient-il. Ç’a été une énorme déception. Il y a quelques indices qui tendraient à indiquer qu’il y aurait une physique nouvelle à des énergies six fois supérieures à la masse de la particule de Higgs***. Et ça serait merveilleux. Mais nous espérions que le LHC révélerait quelque chose de vraiment nouveau. Pas qu’il se contente de continuer à confirmer le modèle standard, mais qu’il trouve des signes de matière noire ou de supersymétrie, ou de quelque chose qui mènerait à la prochaine grande étape dans la physique fondamentale. Mais ça n’a pas été le cas.

‒ D’après ce que je sais, insisté-je, une grande partie de l’espoir que le LHC trouve quelque chose de nouveau reposait sur les arguments du naturel, à savoir que pour que la masse du boson de Higgs soit naturelle il faudrait aussi une nouvelle physique dans ce domaine.

‒ Je ne prends pas au sérieux les conclusions négatives, qui estiment que si le LHC n’a rien vu au-delà du modèle standard c’est qu’il n’y a rien qui résoudra les problèmes du naturel. Tout ce que l’on peut faire, c’est écarter des théories spécifiques, or nous ne disposons pas d’une théorie spécifique qui soit séduisante au point que l’on aura le sentiment d’avoir accompli quelque chose en l’éliminant. La supersymétrie n’a pas été écartée parce qu’elle est trop vague dans ce qu’elle prédit.

‒ S’il y a une théorie fondamentale, pensez-vous qu’elle doit être naturelle ?

‒ Oui, affirme Weinberg, parce que si elle ne l’était pas elle ne nous intéresserait pas. » Puis il s’explique : « Par naturel, je n’entends pas une définition technique du naturel concoctée par des théoriciens des particules qui s’efforcent de restreindre les théories existantes. Par naturel, j’entends qu’il n’y a aucune égalité, aucun rapport énorme qui soit complètement inattendu. »

Il s’interrompt un instant avant de reprendre : « Mais j’ai peut-être répondu trop vite quand j’ai dit qu’une théorie réussie devait être naturelle, parce que certaines des choses qu’elle laisserait inexpliquées, elles sont peut-être purement environnementales dans un multivers où il y a de nombreux univers différents. C’est exactement comme quand les astronomes pensaient qu’une théorie réussie du système solaire rendrait naturel le fait que Mercure, Mars et Vénus se trouvent là où elles se trouvent. Et Kepler a essayé de développer une théorie de ce genre en se fondant sur une vision géométrique qui impliquait les solides platoniciens.

» Mais nous savons maintenant que nous ne devrions pas chercher une pareille théorie, parce qu’il n’y a rien de naturel dans les distances qui séparent les planètes du Soleil : elles sont ce qu’elles sont à cause d’accidents historiques. » Toutefois, ajoute-t-il, il y a des cas « comme le fait que la période de rotation de Mercure représente les deux tiers de sa période orbitale. Ce nombre s’explique par l’attraction qu’exerce le Soleil sur Mercure.

» Donc, certaines choses peuvent être expliquées. Mais en général, ce que l’on voit dans le système solaire est juste le résultat d’un accident historique. Et cette explication naturelle qu’espéraient les astronomes comme Kepler, ou Claude Ptolémée avant lui, il faut y renoncer dans cette recherche. Elle n’est que ce qu’elle est. » Nouvelle pause, puis : « J’espère qu’il n’en ira pas de même de la masse de l’électron.

‒ Donc, le naturel, si on laisse de côté la définition technique, signifie qu’il n’y a pas de paramètre inexpliqué ?

‒ Il y a des choses qui semblent supplier qu’on les explique, me dit-il. Comme un rapport de 2 à 1, ou quelque chose qui est d’un ordre de grandeur 15 fois inférieur à autre chose. Quand on voit ça, on a le sentiment qu’il faut l’expliquer. Et le naturel signifie juste que la théorie dispose des explications pour ces choses ‒ elles n’ont pas été mises là juste pour coïncider avec l’expérience.

‒ Alors, c’est une valeur expérimentale ?

‒ Oh oui, approuve-t-il. Il y a certaines choses dont on s’attend à ce qu’elles aient une explication naturelle, et d’autres non. »

Il en donne un exemple : « Si vous jouez au poker et que trois fois de suite vous obtenez une quinte flush royale, vous allez vous dire : “Ça, c’est quelque chose qui doit s’expliquer en fonction de ce que le donneur cherche à faire.” Mais d’un autre côté, si vous vous retrouvez avec trois mains que nous appellerions hasardeuses ‒ un roi de pique, un deux de carreau, et cætera ‒ et que chacune est différente des deux autres, il n’y a rien de spécial, aucune n’est une main gagnante, vous direz qu’il n’y a rien à expliquer. Nous n’avons pas besoin d’une explication naturelle pour ça ; chaque main est aussi probable qu’une autre. Eh bien, une quinte flush royale est tout aussi probable ou improbable que n’importe quelle main. Mais il y a quand même quelque chose, avec la quinte flush royale, qui semble réclamer une explication si vous en obtenez trois de suite. »

Dans la partie de Weinberg, les cartes sont les lois de la nature ou, plus précisément, les paramètres dans les lois que nous utilisons aujourd’hui. Mais c’est une partie que nous n’avons pas disputée, nous ne l’aurions jamais pu. Quelqu’un, sans que l’on sache ni qui ni pourquoi, nous a distribué des cartes. Nous ne savons pas quelle était la probabilité que nous obtenions la quinte flush royale de la loi naturelle, ou si elle a quelque chose de spécial. Nous ne connaissons pas les règles du jeu, ni son enjeu.

« Ça dépend de la distribution de probabilité », déclaré-je, tentant d’expliciter mon dilemme, à savoir que toute affirmation quant à la probabilité des lois de la nature nécessite encore une loi, qui porterait sur la probabilité des lois. Or, la simplicité préférerait la théorie avec un seul paramètre établi, plutôt qu’une distribution de probabilité de ce paramètre par rapport à un multivers.

« Eh bien, répète Weinberg, la probabilité d’obtenir un deux de trèfle, un cinq de carreau, un sept de cœur, un huit de cœur, et valet de cœur, la probabilité d’obtenir cette main particulière est exactement la même que celle d’obtenir un as, un roi, une reine, un valet et un dix, tous de trèfle. Les deux ont la même probabilité. »

En quête d’une métaphore de poker pour la distribution de probabilité, j’ajoute : « En espérant que le donneur soit honnête. » Mais cet exemple anthropomorphique me met mal à l’aise. Je ne peux pas me défaire de l’impression que nous sommes en réalité en train d’essayer de deviner les règles que Dieu respecte, afin d’être sûrs que les lois de la nature ont été choisies équitablement, en espérant que Dieu ait commis une erreur et que nous méritons un univers où les gluinos ont une masse faible.

« Oui, répond-il à mon commentaire, continuant à filer la métaphore du poker. Mais comme les valeurs humaines sont associées aux différentes mains ‒ à savoir qu’une va gagner et l’autre non, parce que telles sont les règles du poker ‒, vous commencez à faire attention quand un des joueurs à votre table sort une quinte flush royale, alors que vous n’en avez pas quand lui a une main parfaitement banale, ce qui est en fait aussi improbable qu’une quinte flush royale. C’est l’homme qui attribue à la quinte flush royale une caractéristique qui nous fait dire : “Voilà, ça, c’est une main gagnante.” Et donc, ça attire votre attention. »

D’accord, il est humain d’être attiré par les coïncidences, comme l’unification du couplage de jauge ou la tranche de pain qui jaillit du grille-pain ornée d’une image de la Vierge Marie. Mais je ne vois pas en quoi ce trait humain sert à développer de meilleures théories.

« J’ai recours à cet exemple pour me ranger à votre avis, me glisse Weinberg, ce qui me laisse perplexe. Si vous ne saviez rien des règles du poker, nous ne sauriez peut-être pas que la quinte flush royale a quelque chose de spécial par rapport à toute autre main. C’est parce que nous connaissons les règles du poker qu’elle nous paraît spéciale. C’est une question de valeur expérimentale. »

Mais nous n’avons aucune expérience dans le domaine du poker cosmique ; pensé-je, effarée, parce que je ne comprends toujours pas ce que ça a à voir avec la science. Nous n’avons aucun moyen de dire si les lois de la nature que nous observons sont vraisemblables ‒ aucune répartition de probabilité, aucune probabilité. Afin de pouvoir établir que les lois sont improbables, il nous faudrait une autre théorie, et d’où viendrait donc cette théorie22 ? Si Weinberg, que je considère comme le plus grand physicien vivant, ne peut pas me le dire, qui le pourra ? Alors, je m’entête : « Donc, que savons-nous de la répartition de probabilité de ces paramètres ?

‒ Ah, eh bien, pour calculer ça, il vous faut une théorie. »

Exactement.

*

Pour calculer les probabilités dans le multivers, nous devons prendre en compte le fait que la vie existe dans notre univers. Ça paraît évident, mais toutes les lois possibles de la nature ne créent pas de structures assez complexes, et par conséquent, la bonne loi doit répondre à certaines exigences ‒ par exemple, elle doit donner naissance à des atomes stables, ou à quelque chose qui y ressemble. Cette condition est ce que l’on appelle le « principe anthropique ».

Normalement, le principe anthropique ne donne pas de conclusions précises, mais dans le contexte d’une théorie précise, il nous permet d’estimer quelles valeurs les paramètres de la théorie peuvent avoir tout en restant compatibles avec l’observation selon laquelle la vie existe. C’est comme quand vous voyez quelqu’un marcher dans la rue avec une tasse de Starbucks à la main et que vous en concluez que dans ce quartier-là il est donc possible de s’en procurer. Vous pourriez en déduire que le Starbucks le plus proche se trouve dans un rayon de 1 kilomètre, ou peut-être plutôt 5, mais en tout cas sans doute à moins de 100 kilomètres. Pas très précis, et peut-être pas d’un intérêt renversant, mais en tout cas, ça vous donne une information sur votre environnement.

Si le principe anthropique vous paraît quelque peu idiot, ou d’une véracité sans importance, il peut être utile quand on veut écarter les valeurs de certains paramètres. Quand je vous vois vous rendre au travail en voiture tous les matins, par exemple, je peux en conclure que vous devez être assez âgé pour avoir le permis de conduire. Ou alors, peut-être désobéissez-vous obstinément à la loi, mais l’univers, lui, ne peut pas le faire.

Je préfère cependant vous prévenir, l’utilisation du mot « vie » en relation avec le principe anthropique ou l’ajustement n’est que du décorum verbal, courant mais superflu. Les physiciens n’ont pas grand-chose à faire de la science des êtres conscients d’eux-mêmes. Ils parlent de la formation de galaxies, du seuil d’ignition des étoiles ou de la stabilité des atomes, qui sont des conditions préalables au développement de la biochimie. Mais ne vous attendez pas à les entendre discuter ne serait-ce que de grandes molécules. On peut affirmer qu’il est certes plus séduisant de parler de « vie », mais ça ne va pas plus loin en réalité.

La première utilisation du principe anthropique doit être attribuée à Fred Hoyle qui, en 1954, a prédit des propriétés du noyau du carbone qui sont nécessaires pour permettre la formation de carbone à l’intérieur des étoiles, propriétés qui ont ensuite été découvertes conformément à ses prédictions23. Hoyle aurait exploité le fait que le carbone joue un rôle central dans la vie sur Terre, en déduisant que les étoiles devaient être capables d’en produire. Certains historiens se sont demandé si cela a effectivement été le raisonnement de Hoyle, mais le simple fait que cela aurait pu être le cas montre que l’argumentation anthropique peut aboutir à des conclusions utiles24.

Le principe est donc pour nos théories une contrainte qui impose qu’elles soient en accord avec les observations. Il est correct qu’il y ait un multivers ou non, et qu’il y ait ou non une explication sous-jacente à la valeur des paramètres de nos théories ‒ s’il y a une explication.

Si le principe anthropique est souvent mis en avant par les tenants du multivers, c’est parce qu’ils affirment que c’est la seule explication et qu’il n’y a pas d’autre logique à la sélection des paramètres que nous observons. Mais il faut alors montrer que les valeurs que nous observons sont effectivement les seules (ou au moins les plus probables) si l’on veut que la vie soit possible. Ce qui est extrêmement controversé.

En général, l’argument qui veut que le principe anthropique explique la valeur de paramètres dans le multivers s’exprime comme suit : si le paramètre x était juste un petit peu plus grand, ou plus petit, nous n’existerions pas. Il y a une poignée d’exemples pour lesquels c’est le cas, comme la force de l’interaction forte : qu’elle soit plus faible, et les grands atomes perdront leur cohésion, qu’elle soit plus forte, et les étoiles brûleront trop rapidement25. Le problème, avec de tels arguments, c’est qu’envisager de modestes variations d’un paramètre parmi une vingtaine c’est ignorer la masse des combinaisons possibles. Il faudrait en réalité considérer des modifications indépendantes de tous les paramètres pour être capable de conclure qu’une seule combinaison permet la vie. Or, actuellement, ce calcul est infaisable.

Si, pour l’heure, nous ne sommes pas à même de scanner l’ensemble de l’espace des paramètres pour découvrir quelles combinaisons peuvent permettre la vie, nous pouvons au moins en tester quelques-unes. Ce qui a été fait, et c’est pour cela que nous pensons aujourd’hui qu’il y a plus d’une combinaison de paramètres susceptible de créer un univers favorable à la vie.

Par exemple, dans leur article de 2006 intitulé « Un univers sans interaction faible », Roni Harnik, Graham Kribs et Gilad Perez proposent un univers qui semble capable de créer les conditions préalables à la vie et qui présente pourtant des particules fondamentales totalement différentes des nôtres26. En 2013, Abraham Loeb, de Harvard, a avancé qu’une forme de vie aurait pu être possible dans l’univers primitif27. Et, récemment, Fred Adams et Evan Grohs ont montré que si nous modifions plusieurs paramètres en même temps dans nos théories il y a d’autres moyens que le mécanisme prédit par Hoyle pour que les étoiles produisent du carbone ‒ c’est juste que ces autres solutions entrent en conflit avec des observations que Hoyle connaissait déjà28.

Ces trois exemples montrent qu’une chimie assez complexe pour permettre la vie peut exister dans des circonstances qui n’ont rien à voir avec celles dont nous faisons l’expérience, et qu’après tout notre univers n’a rien de si particulier29. Toutefois, le principe anthropique pourrait encore fonctionner pour certains paramètres si l’effet de ces derniers était presque indépendant de celui des autres paramètres. Autrement dit, même si nous ne pouvons pas utiliser le principe anthropique pour expliquer les valeurs de tous les paramètres parce que nous savons qu’il existe d’autres combinaisons qui favorisent des conditions préalables à la vie, il faudrait que certains paramètres aient la même valeur dans tous les cas parce que leur effet est universel. On affirme souvent que la constante cosmologique est de ce type30. Si elle est trop grande, alors, soit l’univers va déchiqueter toutes les structures qu’elle contient, soit elle s’effondrera sur elle-même avant que les étoiles aient eu la possibilité de se former (selon le signe de la constante).

Pourtant, si nous voulons déduire une probabilité plutôt qu’une restriction, il nous faut une répartition de probabilité pour les théories possibles, et cette répartition ne peut venir des théories elles-mêmes ‒ elle a besoin d’une structure mathématique additionnelle, une métathéorie qui nous dit dans quelle mesure chaque théorie est probable. On se heurte au même problème avec le naturel : la tentative d’échapper au choix humain déplace simplement le choix. Et dans les deux cas, on est obligé d’ajouter des suppositions inutiles ‒ en l’occurrence, la répartition de probabilité ‒ qui pourraient être évitées en utilisant un simple paramètre fixe.

*

La plus célèbre prédiction fondée sur le multivers est celle de la constante cosmologique, et c’est tout simplement Steven Weinberg qui l’a énoncée31. Elle remonte à 1997, alors que les théoriciens des cordes venaient tout juste de reconnaître qu’ils ne pourraient pas éviter de se retrouver avec un multivers dans leur théorie. L’article de Weinberg a contribué de manière significative à l’acceptation du multivers en tant qu’idée scientifique.

« Avec deux personnes d’ici, du département d’astronomie, Paul Shapiro et Hugo Martel, nous avons écrit un article il y a quelques années, raconte Weinberg. On se concentrait sur une constante particulière, la constante cosmologique, qui a été mesurée ces dernières années grâce à son effet sur l’expansion de l’univers ****.

« Nous sommes partis du principe que la distribution de probabilité était complètement plate, que toutes les valeurs de la constante étaient également probables. Puis nous nous sommes dit : “Ce que nous voyons est biaisé parce qu’il doit y avoir une valeur qui permet l’évolution de la vie. Donc, quelle est la distribution de probabilité biaisée ?” Et nous avons calculé la courbe pour la probabilité, et nous avons posé la question : “Où est le maximum ? Quelle est la valeur la plus probable ?” » La valeur la plus probable s’est révélée très proche de la valeur de la constante cosmologique, mesurée un an plus tard32.

« Donc, explique Weinberg, on pouvait dire que si on avait une théorie fondamentale qui prédisait un grand nombre de Big Bangs individuels avec des valeurs variables de l’énergie noire et une distribution de probabilité intrinsèque pour la constante cosmologique qui est plate ‒ qui ne distingue pas les valeurs les unes des autres ‒, alors, les êtres vivants devraient s’attendre à voir exactement ce qu’ils voient. »

Ou peut-être, pensé-je, pourrait-on dire que le multivers n’est qu’un outil mathématique ? Comme ces espaces internes. Quant à son existence réelle, c’est une question que nous pouvons laisser aux philosophes.

Je triture l’idée pendant un moment, mais je ne vois toujours pas comment il vaut mieux estimer une distribution de probabilité pour un paramètre qu’estimer le paramètre lui-même. Sauf que si on peut publier la première estimation parce qu’elle implique un calcul, la seconde, elle, est manifestement non scientifique.

« Ma foi, intervient Steven Weinberg en toussant, ça fait une demi-heure que nous parlons, et je commence à perdre ma voix. Je pense que j’ai couvert à peu près tout ce que j’avais à dire. Peut-on en rester là ? »

À ce stade, il n’y a plus qu’une chose à faire, se montrer polie, le remercier et prendre congé.

L’émancipation de la dissonance

Je ne peux pas dire que je sois fan de la musique dodécaphonique. Mais je dois également admettre que je n’ai pas passé beaucoup de temps à en écouter. Ce n’est pas le cas du critique musical Anthony Tommasini. Dans une vidéo réalisée pour le New York Times en 2007, il parle de « l’émancipation de la dissonance » dans les compositions d’Arnold Schoenberg, l’inventeur de la musique dodécaphonique33. L’innovation de Schoenberg remonte aux années 1920 et a joui d’une brève popularité auprès des musiciens professionnels dans les années 1970, sans jamais connaître un succès public.

« Schoenberg serait blessé si vous considériez sa musique comme dissonante de façon sévère, péjorative, négative, raconte Tommasini. Il pensait, quant à lui, qu’il favorisait une vie pleine, riche et complexe. […] Par exemple, voici un morceau pour piano tiré de l’Opus 19 qui est très dissonant, mais aussi délicat et superbe. » Il en joue quelques mesures, puis cite un autre exemple. « Il est possible d’harmoniser [ce thème] en do majeur, démontre-t-il, manifestement insatisfait, ce qui est si ennuyeux en comparaison de ce que fait [Schoenberg]. » Il revient à l’original dodécaphonique. « Ah », soupire-t-il, et il plaque un nouvel accord dissonant. Moi, j’ai juste l’impression qu’un chat est en train de marcher sur le clavier.

Mais il est fort possible que si j’écoutais de la musique dodécaphonique assez souvent, je finirais par ne plus entendre une cacophonie, et que je commencerais à la trouver « délicate » et « émancipatrice » tout comme Tommasini. Voss et Clarke ont montré que la musique exerce un attrait en partie universel, qui se reflète dans les récurrences qu’ils ont découvertes, indépendantes du style. D’autres chercheurs ont conclu que cet attrait était notamment dû à notre éducation, qui façonne nos réactions aux accords consonants et dissonants34. Mais nous accordons aussi une grande valeur à la nouveauté. Et les professionnels qui gagnent leur vie en vendant de nouvelles idées ne ratent jamais l’occasion de rompre avec l’ennui de ce qui est familier.

En science aussi, notre perception de la beauté et de la simplicité est en partie universelle et en partie due à notre éducation. Et exactement comme en musique, ce que nous considérons comme prévisible et en même temps surprenant dans les sciences dépend de notre familiarité avec le domaine. Au fil de nos travaux, nous augmentons notre tolérance à la nouveauté.

Effectivement, plus j’en apprends sur le multivers, plus je le trouve intéressant. Je peux voir que c’est un changement étonnamment simple, et pourtant d’une grande portée, dans la façon que nous avons de comprendre notre propre importance (ou son absence) dans le monde. Peut-être Tegmark a-t-il raison, peut-être suis-je simplement affligée d’un biais émotionnel vis-à-vis de ce qui n’est qu’une conclusion logique. Le multivers est véritablement une émancipation des mathématiques, qui favorise l’apparition d’une vie riche et complexe.

Un point de vue d’autant plus convaincant quand un Prix Nobel l’appuie de tout son poids.

EN BREF

* Les physiciens théoriciens utilisent la simplicité, le naturel et l’élégance en guise de critères pour évaluer les théories.

* Le naturel étant désormais contredit par l’observation, beaucoup de physiciens pensent que la seule alternative aux lois « naturelles », c’est que nous vivons dans un multivers.

* Mais aussi bien le naturel que le multivers ont besoin d’une métathéorie qui quantifie la probabilité que nous observions le monde tel qu’il est, ce qui entre en conflit avec le critère de simplicité.

* On ne sait même pas quel problème le naturel ou le multivers cherche à résoudre, puisque ni l’un ni l’autre ne sont nécessaires pour expliquer les observations.

* Le multivers n’est pas universellement considéré comme beau, preuve que les perceptions de la beauté peuvent tout à fait changer ; leur popularité ne peut s’expliquer par la seule beauté.

* Pour une version plus technique de cet argument, voir l’Appendice B.

** Les leptons sont les fermions du modèle standard qui ne sont pas des quarks.

*** Il s’agit de l’anomalie du diphoton (NdA).

**** En 1998 au plus tard.

Chapitre 6

La mécanique quantique,

si incompréhensible

et pourtant si abordable

Où je réfléchis à ce qui distingue les maths de la magie.

Tout est merveilleux et personne n’est content

La mécanique quantique connaît un succès spectaculaire. Elle explique le monde atomique et subatomique avec une formidable précision. Nous l’avons testée dans tous les sens, sans jamais lui trouver de défaut. La mécanique quantique ne cesse d’avoir raison, encore et encore. Mais malgré cela, ou peut-être à cause de cela, personne ne l’aime. Nous avons simplement fini par nous y habituer1.

Dans un article pour Nature Physics paru en 2015, Sandu Popescu dit des axiomes de la mécanique quantique qu’ils sont « très mathématiques », « obscurs sur le plan physique », et « beaucoup moins naturels, intuitifs et “physiques” que ceux d’autres théories2 ». Il exprime là un sentiment courant. Seth Lloyd, réputé pour ses travaux sur le calcul quantique, reconnaît que « la mécanique quantique est tout simplement contre-intuitive3 ». Et Steven Weinberg, dans ses conférences sur la mécanique quantique, prévient le lecteur que « les idées de la mécanique quantique s’écartent considérablement de l’intuition humaine habituelle4 ».

Non que la mécanique soit techniquement difficile ‒ elle ne l’est pas. Les mathématiques de la mécanique quantique utilisent des équations pour lesquelles nous avons des techniques simples de résolution, offrant un contraste frappant avec les équations de la relativité générale, qui sont horriblement difficiles à résoudre. Non, ce n’est pas la difficulté ‒ c’est juste qu’il y a quelque chose, dans la mécanique quantique, qui donne l’impression de ne pas coller. C’est troublant.

Ça commence avec la fonction d’onde. La fonction d’onde est la partie mathématique qui décrit le système auquel on a affaire. On en parle souvent comme de l’état du système, mais ‒ et c’est là que ça devient moche ‒ on ne dispose absolument d’aucun moyen de l’observer directement. La fonction d’onde n’est qu’un intermédiaire ; à partir d’elle, on calcule la probabilité de mesurer certains observables.

Toutefois, cela veut dire qu’après une mesure il faut mettre à jour la fonction d’onde afin que l’état mesuré ait maintenant une probabilité de 1. Cette mise à jour ‒ parfois appelée « effondrement » ou « réduction » ‒ est instantanée. Elle se produit au même moment pour toute la fonction d’onde, sans tenir compte de l’étendue de l’extension de la fonction. Imaginons-la étendue entre deux îles, en mesurant l’état à un bout, on détermine la probabilité à l’autre bout.

Ce n’est pas un jeu de l’esprit ; ça a été réalisé concrètement.

Durant l’été 2008, le groupe d’Anton Zeilinger s’est réuni dans les Canaries pour battre le record des effets quantiques à longue distance5. Sur l’île de La Palma, ils ont utilisé un laser pour produire 19 917 paires de photons. Dans chaque paire, la polarisation totale était de zéro, mais la polarisation individuelle de chaque photon était inconnue. L’équipe de Zeilinger a envoyé un photon de chaque paire à un récepteur situé sur l’île de Tenerife, à 144 kilomètres de là. L’autre photon tournait sur 6 kilomètres dans une fibre optique enroulée située sur La Palma. Puis les expérimentalistes ont mesuré la polarisation aux deux extrémités.

Puisque nous connaissons la polarisation totale, la mesure de la polarisation d’un photon nous donne des informations sur la polarisation de l’autre photon. La quantité de l’information en question dépend de l’angle entre les directions dans lesquelles les polarisations sont mesurées sur les deux sites de détection (figure 9). Si on mesure les polarisations dans la même direction sur les deux sites, alors la mesure de la polarisation d’un photon révélera la polarisation de l’autre. Si on mesure la polarisation dans deux directions orthogonales, alors la mesure de l’une ne nous dira rien de l’autre. À des angles entre 0 et 90 degrés, nous apprenons quelques petites choses, et la probabilité que les résultats des deux mesures concordent quantifie exactement ce que l’on peut apprendre.

Il est possible de calculer cette probabilité sans la mécanique quantique, en assumant que les particules avaient déjà une polarisation établie quand elles ont été créées. Mais le résultat de ce calcul ne concorde pas avec la mesure ; il est tout simplement faux. Pour certains angles, les mesures de polarisation concordent plus souvent qu’elles ne le devraient. Il semble que même séparées par 144 kilomètres, les particules sont très étroitement liées, un lien que leur origine commune ne peut expliquer. Ce n’est que quand on procède au calcul avec la mécanique quantique que le résultat est correct. Il faut en conclure qu’avant la mesure les particules n’avaient ni une polarisation ni l’autre, mais les deux.

L’expérience de Zeilinger dans les Canaries n’a pas été la première ni la dernière à montrer que pour décrire correctement des observations il faut accepter que des particules non observées puissent se trouver dans deux états différents en même temps. Si cette expérience a établi un record de distance (à l’époque), des tas d’autres expériences ont démontré la même chose : la mécanique quantique est peut-être bizarre, mais elle est correcte. Qu’on le veuille ou non, elle est là pour rester.

Il est particulièrement agaçant de constater que la fonction d’onde s’effondre simplement quand elle est mesurée, parce que aucun autre des processus que nous connaissons n’est instantané. Dans toutes les autres théories, une connexion entre deux endroits signifie que quelque chose doit se déplacer d’un point à l’autre à une vitesse inférieure à celle de la lumière. Cette propagation progressive au fil du temps est dite « localité », et elle est conforme à notre expérience quotidienne. Mais la mécanique quantique, elle, prend nos attentes à contre-pied parce que des particules intriquées sont liées, mais pas localement. Mesurez l’une d’elles, et l’autre le saura aussitôt. C’était ce qu’Einstein appelait « l’étrange action à distance6 ».

En même temps, la non-localité de la mécanique quantique est subtile, parce que aucune information n’est échangée entre les particules intriquées. Puisque l’on ne peut pas prédire les résultats des mesures des polarisations, il n’y a aucun moyen d’utiliser les paires pour envoyer des messages d’une extrémité à l’autre. En mécanique quantique, comme en mécanique non quantique, l’information ne peut pas être envoyée plus rapidement que la vitesse de la lumière. Tout est cohérent, sur le plan mathématique. C’est juste que… il y a quelque chose de bizarre.

FIGURE 9. Schéma de l’expérience évoquée dans le texte. Un état initial avec une polarisation totale de zéro (cercle en pointillé) se décompose en deux particules dont la polarisation au total doit être de zéro. Puis on mesure les polarisations avec deux détecteurs (plaques grises) dans deux directions avec un angle relatif.

La mécanique quantique présente un autre aspect rebutant. Quand ils font référence aux mesures, les axiomes supposent l’existence d’objets macroscopiques ‒ des détecteurs, des ordinateurs, des cerveaux, et cætera ‒, ce qui est contraire au réductionnisme. Une théorie fondamentale devrait expliquer l’émergence du monde macroscopique et non supposer sa présence dans les axiomes.

Les théories quantiques des champs héritent des problèmes de la mécanique quantique. Par conséquent, le modèle standard rencontre la même difficulté quand il s’agit d’expliquer le monde macroscopique.

En 1935, pour illustrer le problème de l’émergence d’un monde non quantique, macroscopique, Erwin Schrödinger nous a demandé d’imaginer un chat prisonnier dans une boîte. La boîte comporte un mécanisme qui, déclenché par un atome en décomposition, peut libérer une toxine qui tuera le chat. La décomposition de l’atome est un processus quantique, donc, si l’atome a une demi-vie de, disons, 10 minutes, alors, il y a 50 % d’éventualité que l’atome se décompose d’ici 10 minutes. Mais la mécanique quantique nous dit qu’avant que nous ayons effectué la mesure l’atome ni ne s’est décomposé ni ne s’est pas décomposé. Il se trouve dans une superposition des deux états. Dans ce cas, qu’advient-il du chat de Schrödinger ? Est-il à la fois mort et vivant, et ne meurt-il ou ne survit-il qu’au moment où l’on ouvre la boîte ? Ça paraît absurde.

Et ça l’est. Si nous ne sommes jamais témoins de comportements quantiques dans la vie de tous les jours, c’est pour une bonne raison. Pour les grands objets ‒ comme des chats, des cerveaux ou des ordinateurs ‒ les propriétés typiquement quantiques se dissipent très rapidement. De tels objets font partie d’environnements chauds et grouillants, et les interactions constantes brouillent les liens quantiques entre les parties du système. Ce brouillage que l’on appelle la décohérence transforme très vite des états quantiques en distributions de probabilité normales, même en l’absence d’appareils de mesure. La décohérence explique ainsi pourquoi nous n’observons pas la superposition de grands objets. Le chat n’est pas à la fois mort et vivant ; la probabilité qu’il soit mort est juste de 50 %.

Mais la décohérence n’explique pas comment, après avoir été mesurée, la distribution de probabilité se met à jour pour devenir une distribution ayant une probabilité de 1 pour ce que l’on a observé. La décohérence résout donc une partie de l’énigme, mais pas tout.

Une partie perdue d’avance

« Ma foi, intervient Steven Weinberg en toussant, ça fait une demi-heure que nous parlons, et je commence à perdre ma voix. Je pense que j’ai couvert à peu près tout ce que j’avais à dire. Peut-on en rester là ? »

À ce stade, il n’y a plus qu’une chose à faire, se montrer polie, le remercier et prendre congé. Au lieu de ça, j’insiste : « Je voulais vous demander votre avis sur les fondations de la mécanique quantique. Vous avez écrit dans votre livre qu’il est difficile de changer quoi que ce soit dans la mécanique quantique sans la compromettre dans son ensemble.

‒ Oui, c’est vrai, dit Weinberg. Mais nous n’avons pas de théorie vraiment satisfaisante de la mécanique quantique. »

Il me jette un regard las, puis s’empare d’un des livres sur son bureau : « Je peux vous lire ce qu’il y a dans la deuxième édition de mon manuel de mécanique quantique. C’est au chapitre 3.7. Dans la première version, j’avais écrit un passage assez négatif, puis, en y repensant, je suis devenu encore plus négatif. Voilà ce que j’y disais :

Personnellement, j’en viens à la conclusion qu’il n’existe aucune interprétation de la mécanique quantique qui ne présente de graves défauts. Cet avis ne fait pas l’unanimité. En fait, de nombreux physiciens se satisfont de leur propre interprétation de la mécanique quantique. Mais des physiciens différents se satisferont d’interprétations différentes. Selon moi, nous devrions prendre au sérieux la possibilité que l’on découvre une autre théorie plus satisfaisante, dont la mécanique quantique n’est qu’une bonne approximation.

» Et je le pense. Je n’ai pas ménagé mes efforts afin de développer cette autre théorie plus satisfaisante, mais sans succès. […] Il est très difficile de faire mieux que la mécanique quantique. Mais la mécanique quantique, bien qu’elle ne soit pas incohérente, présente plusieurs caractéristiques qui nous paraissent repoussantes. Ce n’est pas le fait qu’elle contienne des probabilités. C’est le genre de probabilités qu’elle contient. »

Il s’explique : « Si vous avez une théorie qui dit que, eh bien, les particules se déplacent et qu’il y a une certaine probabilité qu’elles aillent ici ou là, ou encore ailleurs, je peux l’admettre. Ce que je n’aime pas, dans la mécanique quantique, c’est qu’elle formalise le calcul de probabilité que les humains obtiennent quand ils procèdent à certaines interventions dans la nature que nous appelons des expériences. Or, une théorie ne devrait pas se référer aux êtres humains dans ses postulats. Il serait souhaitable de pouvoir comprendre des choses macroscopiques, comme les appareils expérimentaux et les êtres humains, selon les termes de la théorie sous-jacente. Il n’est pas souhaitable de les voir intégrés au niveau des axiomes de la théorie. »

*

Pour rendre plus séduisante la mécanique quantique, les physiciens ont inventé diverses façons d’en réinterpréter les mathématiques. Elles se divisent en gros en deux catégories : soit on considère la fonction d’onde (généralement notée y, ou « psi ») comme étant réelle (une approche « psi-ontique »), ou alors, on la considère comme un dispositif qui encode simplement la connaissance que l’on a du monde (une approche « psi-épistémique »).

La psi-épistémologie, plutôt que de répondre aux questions, déclare en fait qu’elles n’ont pas d’importance. L’interprétation de Copenhague en est l’exemple le plus connu. C’est l’interprétation la plus communément enseignée de la mécanique quantique (et aussi celle que j’ai utilisée dans la partie précédente). D’après l’interprétation de Copenhague, la mécanique quantique est une boîte noire : nous y entrons les éléments d’une expérience, appuyons sur le bouton « maths », et il en ressort une probabilité. Quant à savoir ce que faisait une particule avant d’être mesurée, c’est une question que l’on n’est pas censé poser. En d’autres termes, « tais-toi et calcule », comme l’a dit David Mermin7. C’est une attitude pragmatique, mais l’effondrement est généralement considéré comme « une vilaine cicatrice » (Lev Vaidman) qui donne l’impression que la théorie est un « bidouillage » (Max Tegmark8).

Il existe une autre interprétation psi-épistémique plus moderne, le QBisme, « Q » voulant dire « quantique » et « B » « inférence bayésienne », une méthode de calcul des probabilités. Dans le QBisme, la fonction d’onde est un dispositif qui collecte les informations d’un observateur sur le monde réel, et qui est mis à jour quand l’observateur effectue une mesure. Cette interprétation souligne qu’il peut y avoir de multiples observateurs (des gens ou des machines) disposant d’informations différentes. La boîte est toujours noire, mais maintenant, chacun a la sienne. Si, pour David Mermin, c’est « de loin la partie la plus intéressante à jouer », pour Sean Carroll, c’est une « stratégie du “déni9” ».

Les interprétations psi-ontiques, elles, ont l’avantage d’être conceptuellement plus proches des théories pré-quantiques que nous avons appris à apprécier, mais l’inconvénient, c’est qu’elles nous obligent à regarder en face les autres problèmes de la mécanique quantique.

Dans la théorie de l’onde pilote (ou théorie de De Broglie-Bohm), une onde non locale guide les particules sur leurs trajectoires. Si elle semble tout à fait différente de la mécanique quantique, c’est en réalité la même théorie, simplement formulée et interprétée différemment10. La théorie de l’onde pilote n’est pas en vogue actuellement parce qu’elle n’a pas été formulée de façon aussi générale que l’interprétation de Copenhague et qu’elle ne peut pas être appliquée de manière aussi flexible. Mais à cause de son interprétation intuitive, Bell considérait la théorie de l’onde pilote comme étant « naturelle et simple11 ». John Polkinghorne, en revanche, pense qu’elle a « quelque chose d’opportuniste qui est déplaisant12 ».

L’interprétation des mondes multiples postule que la fonction d’onde ne s’effondre jamais. Au lieu de cela, la fonction d’onde se subdivise en des univers parallèles, un pour chaque résultat possible des mesures. Dans l’interprétation des mondes multiples, il n’y a pas de problème de mesure, mais seulement la question de savoir pourquoi nous vivons dans cet univers particulier. Steven Weinberg trouve tous ces univers « repoussants », mais aux yeux de Max Tegmark, cette logique est « belle », et il croit que « la théorie la plus simple, et sans doute la plus élégante, implique des univers parallèles par défaut13 ».

Et il y a les modèles d’effondrement spontané, où la fonction d’onde ne commence pas par se propager avant de s’effondrer subitement, mais se contracte un peu constamment, si bien qu’elle ne se propage jamais vraiment. Ce n’est pas tant une nouvelle interprétation qu’un amendement de la mécanique quantique qui ajoute un processus explicite à l’effondrement. Adrian Kent, qui pense qu’en mécanique quantique « l’élégance est apparemment un indicateur étonnamment net d’une adéquation physique », trouve l’effondrement « un peu trop pratique et improvisé », mais malgré tout « beaucoup moins laid que les théories de De Broglie-Bohm14 ».

Et ce ne sont là que les principales interprétations de la mécanique quantique. Il y en a d’autres, et chacune peut exister en différents états en même temps.

*

Steven Weinberg repose son livre sur la mécanique quantique. Il me dévisage avec une expression que je n’arrive pas à déchiffrer, je n’arrive pas à dire s’il est étonné ou plutôt ennuyé que je sois encore là. Ce sourcil levé que j’ai mentionné plus tôt, je m’en aperçois maintenant, semble en permanence figé dans cette position.

Lectures on Quantum Mechanics (Leçons de mécanique quantique) est un de ces derniers manuels, il n’est paru qu’en 2012. Depuis, il a également publié plusieurs articles sur la manière de tester ou mieux comprendre les fondations de la mécanique quantique. Il s’agit manifestement d’un sujet qui le préoccupe ces derniers temps. Je me demande pourquoi il s’est engagé dans ce domaine de recherche. Qu’est-ce qui en fait un problème qui mérite d’être étudié, compte tenu de tous ceux auxquels il pourrait s’intéresser ?

« Qu’est-ce que vous n’aimez pas dans le fait que la décohérence vous laisse avec une répartition de probabilité ? lui demandé-je.

‒ Vous pouvez parfaitement comprendre la mécanique quantique en termes d’une interaction du système que vous étudiez avec un environnement extérieur qui inclut un observateur, dit-il15. Mais cela implique un système mécanique quantique qui interagit avec un système macroscopique qui produit la décohérence entre différentes branches de la fonction d’onde initiale. Et d’où est-ce que ça vient ? Cela aussi devrait être décrit par la mécanique quantique. Et, au sens strict du terme, au sein de la mécanique quantique elle-même, il n’y a pas de décohérence. »

Il se remet à tousser. « Alors, on s’efforce de gérer le problème, ce qui passe la négation de la décohérence et la possibilité de traiter les êtres humains comme des objets de mécanique quantique, comme tout le reste, et ça, c’est l’approche des histoires multiples. Dans cette approche, si vous démarrez avec une fonction d’onde pure, c’est toujours une fonction d’onde pure16. Mais avec l’évolution du temps, elle contient de nombreux termes, dont chacun contient une description d’observateurs, et les observateurs dans chaque terme pensent qu’ils voient quelque chose de différent ‒ par exemple, un observateur verra le haut spin [d’une particule], et l’autre le bas.

» Et si on peut vivre avec l’idée que l’histoire de l’univers se divise en deux branches, dans cette approche des histoires multiples, il y a une production continue et infinie d’un nombre d’une grandeur inimaginable d’histoires de l’univers.

» Eh bien, conclut Weinberg, c’est peut-être ainsi que sont les choses, et je n’y vois d’ailleurs rien d’incohérent sur le plan logique. Mais c’est tellement repoussant d’imaginer ce nombre d’histoires immense.

‒ En quoi est-ce repoussant ?

‒ Je n’en sais rien. Ça l’est, c’est tout. C’est le côté incontrôlé des nombres. Parce que ce n’est pas quelque chose qui se produit simplement quand un physicien obtient une bourse de l’État et mène une expérience. Ça se passe tout le temps. Chaque fois que deux molécules d’air entrent en collision, ou qu’un photon d’une étoile heurte l’atmosphère ‒ chaque fois qu’il se passe quelque chose, l’histoire de l’univers est multipliée en continu.

» J’aimerais pouvoir prouver que cette subdivision continue d’histoires est impossible. Mais je ne peux pas. Mais je trouve ça repoussant. Manifestement, ce n’est pas le cas des gens qui en ont eu l’idée. Mais c’est comme ça. Des gens différents auront des interprétations différentes de la mécanique, qui sont toutes satisfaisantes, mais qui sont toutes différentes.

‒ Et chacun trouve repoussante la théorie de l’autre ? remarqué-je.

‒ Exactement. Et j’ai dû y faire face, concède Weinberg avec un soupir. Même les grands philosophes dans ce domaine divergent. À l’origine, Niels Bohr pensait qu’une mesure impliquait de s’éloigner de la mécanique quantique, qu’on ne pouvait pas expliquer des mesures uniquement en termes de concepts de mécanique quantique. Et là, d’autres ont dit, si, c’est possible, mais il faut cesser de croire que l’on peut dire ce qui est en train de se passer, il faut juste dire que ce sont les règles de calcul de la probabilité de ce que l’on obtient quand on procède à une mesure. […] Et là, d’autres assurent qu’il n’y a absolument rien à redire à la mécanique quantique, c’est juste qu’on se retrouve avec des nombres infinis d’histoires. C’est l’approche [des mondes multiples]. […]

» La difficulté, évidemment, c’est qu’on n’est pas obligé de trouver une solution à ces problèmes, poursuit-il. J’ai passé toute ma carrière à ne pas savoir ce qu’est la mécanique quantique. Dans un de mes livres, je raconte cette histoire à propos de mon collègue Philip Candelas, qui m’a parlé de cet étudiant dont la carrière s’est pour l’essentiel désintégrée. Je lui ai demandé ce qui s’était passé, et il m’a répondu : “Il a essayé de comprendre la mécanique quantique.” Il aurait pu faire une carrière tout à fait honorable sans ça. Pénétrer dans les fondements de la mécanique quantique, c’est un jeu perdu d’avance. »

(Si vous citez ça, vous serez peut-être la première personne à citer quelqu’un qui cite quelqu’un se citant lui-même en train de citer quelqu’un.)

« Vous connaissez Beauty and Revolution in Science (La Beauté et la Révolution dans les sciences), d’un philosophe des sciences du nom de McAllister ?

‒ Ça ne me dit rien.

‒ Il s’efforce de développer le concept de Kuhn sur les révolutions dans la science. L’argument de McAllister, c’est que chaque révolution en science implique de mettre à bas les concepts de beauté développés par les scientifiques.

‒ Kuhn est beaucoup plus radical, me dit Weinberg. C’est clair qu’une révolution passe par le besoin de renverser quelque chose. Kuhn, lui, l’envisage comme le renversement de tout, si bien qu’une génération est incapable de comprendre la physique d’une génération précédente. Pour moi, c’est tout simplement faux. Mais c’est évident que s’il y a une révolution scientifique, il va falloir renverser quelque chose. »

Il marque une pause, puis ajoute : « Je pense que l’idée qu’il puisse s’agir de jugements esthétiques n’est pas mauvaise. Par exemple, la révolution copernicienne a eu lieu parce que Copernic pensait que le système héliocentrique était plus séduisant que le système ptolémaïque. Pas à cause de données. C’était clairement un jugement esthétique qui différait des jugements esthétiques précédents. Et je pense que la révolution newtonienne a peut-être eu lieu parce que Newton ne trouvait pas laide l’idée d’une force agissant à distance, contrairement à Descartes. Alors, Descartes a essayé de brosser un tableau vraiment hideux du système solaire, où tout était le résultat de tractions et de poussées directes. Et Newton, lui, s’est satisfait d’une force qui fonctionne comme le carré inverse agissant à distance. C’était un changement esthétique. Ou plutôt d’idée philosophique préconçue. Ce qui n’est peut-être pas très différent.

» Oui, c’est une idée intéressante, réfléchit Weinberg. Il faudrait que je jette un œil sur ce livre.

‒ Mais si, effectivement, dans une révolution, on a besoin de renverser la conception de la beauté dans le développement théorique, déclaré-je, à quoi sert d’utiliser les concepts de beauté du passé ?

‒ Eh bien, la beauté n’est qu’un moyen d’obtenir des théories qui fonctionnent, me dit-il. Même si notre conception de la beauté peut changer, les théories, elles, peuvent continuer à être valides. » Il me propose un exemple : « Je suppose que Maxwell a dû se dire qu’une théorie de l’électromagnétisme vraiment satisfaisante devait impliquer des tensions dans le médium qui subissait des vibrations, et que cela permettrait d’expliquer les oscillations des champs électriques et magnétiques observées dans un rayon de lumière. Par les travaux de Maxwell et d’autres, y compris Heaviside, nous en sommes venus à concevoir les champs électriques et magnétiques comme imprégnant simplement l’espace vide, et les oscillations juste comme des oscillations dans les champs eux-mêmes, non dans le médium sous-jacent. Mais les équations développées par Maxwell sont toujours valides. La théorie de Maxwell a survécu, même si sa conception de la véracité a changé. »

Il poursuit : « Très souvent, ce qui change, ce ne sont pas les théories de la physique, mais notre conception de ce qu’elles veulent dire, de pourquoi elles doivent être vraies. Donc, je crois qu’en fait on ne renverse pas tout, même si on peut renverser des jugements esthétiques précédents. Et ce qui survit, ce sont les théories auxquelles ont donné naissance ces jugements esthétiques précédents. Si elles sont valides, ce qu’elles ne sont peut-être pas. »

Là-dessus, il se lève et s’en va.

La mécanique quantique, c’est magique

Non seulement la mécanique quantique elle-même est bizarre, mais son domaine de recherche l’est aussi. En physique des particules, nous avons la théorie, l’expérience et, entre les deux, la phénoménologie. Les phénoménologues sont les gens qui (comme Gordy Kane) extraient des prédictions des théories, généralement en simplifiant les mathématiques et en comprenant ce qu’il faut mesurer, avec quelle précision, et comment (et, assez souvent aussi, par qui).

Dans d’autres domaines de la physique, les chercheurs ne se classent pas aussi nettement dans ces trois catégories qu’en physique des particules. Mais dans tous les domaines, il y a des phénoménologues. Même en gravité quantique, où il n’y a pas d’expériences, il y a des phénoménologues. Sauf en mécanique quantique. En mécanique quantique, il y a d’un côté des expériences, et beaucoup, en plus. Et de l’autre, on s’agite grandement autour de l’interprétation. Mais entre les deux, en gros, il y a surtout du vide.

Après m’être intéressée à ces différentes interprétations et avoir tenté d’évaluer leur degré de laideur, je décide de m’entretenir avec quelqu’un qui vient du côté où l’on ne s’agite pas, quelqu’un qui a quotidiennement les mains dans le cambouis quantique. Ce quelqu’un, c’est Chad Orzel.

Chad est professeur de physique à l’Union College de Shenectady, dans l’État de New York. On le connaît avant tout comme étant celui qui a enseigné la physique à son chien et a écrit un livre à ce sujet17. Chad tient aussi un blog de vulgarisation scientifique, Uncertain Principles (Principes incertains), dédié à la démystification de la mécanique quantique. Je lui passe un appel vidéo pour lui demander ce qu’il pense de toutes les interprétations de la mécanique quantique.

« Chad, commencé-je, redites-moi comment vous gagnez votre vie.

‒ En physique, je me suis spécialisé dans le refroidissement des atomes par laser et la physique des atomes froids », me répond-il. Après avoir obtenu son doctorat, il a travaillé sur les condensats de Bose-Einstein, des nuages d’atomes refroidis à des températures si basses que les effets quantiques deviennent plus marqués.

« Pour mon doctorat, j’ai étudié les collisions d’atomes de xénon ultra-froids, précise-t-il. Ils ont une vélocité relative de l’ordre du centimètre ou du millimètre par seconde, et à cette vitesse, ils se déplacent si lentement que l’on commence à voir les effets quantiques des collisions.

» Le xénon a beaucoup d’isotopes, m’explique Chad*. Certains sont des bosons composites, d’autres des fermions composites. Et si on les polarise et que ce sont des fermions, ils ne devraient pas pouvoir entrer en collision parce que ça serait deux états symétriques, et que c’est bloqué. »

Ce blocage est un exemple de l’extrême individualité des fermions, que nous avons abordée au chapitre 1. On ne peut tout simplement pas obliger deux fermions à faire la même chose au même endroit.

Chad continue : « Donc, on assemble un nuage d’atomes de xénon, et s’ils entrent en collision, ils échangent beaucoup d’énergie et un ion en sort. Il suffit alors de compter les ions pour le cas où les atomes sont polarisés, et pour le cas où ils ne le sont pas, et ça nous dit combien d’entre eux entrent en collision. C’est un signal très net. Et on peut voir la différence dans le taux de collision : les bosons sont ravis de se rentrer dedans, les fermions, non. C’est un pur effet quantique.

‒ Et que font les atomes s’ils n’entrent pas en collision ? demandé-je.

‒ Ils se croisent, c’est tout, me dit Chad en haussant les épaules. Quand j’ai soutenu ma thèse, quelqu’un m’a posé la question : “Qu’est-ce qui se passe si vous alignez ces atomes ‒ comment se fait-il qu’ils n’entrent pas en collision ?” Et j’ai répondu sur le ton de la plaisanterie : “La mécanique quantique, c’est magique.” Plus sérieusement, il ne faut pas les imaginer comme des boules de billard que l’on peut aligner à la perfection. Il faut les visualiser comme des gros machins flous qui se traversent les uns les autres. Je me suis tourné vers mon directeur de thèse, qui venait de remporter un prix Nobel, et je lui ai demandé : “Vous êtes d’accord ? Ça marche ?”, et il a dit : “Oui, la mécanique quantique, c’est magique18.” »

*

Il semble logique que notre intuition soit inutile dans le monde quantique. Nous ne faisons pas l’expérience d’effets quantiques dans notre vie quotidienne ‒ ils sont trop infimes et fugaces. En fait, il serait étonnant que la physique quantique soit intuitive, parce que nous n’avons jamais eu la possibilité de nous y habituer.

On ne peut donc pas reprocher à une théorie de ne pas être intuitive. Mais comme le manque d’attrait esthétique, c’est un obstacle sur la voie du progrès. Et peut-être, pensé-je, que cet obstacle-là est insurmontable. Peut-être sommes-nous pris au piège dans les fondations de la physique parce que nous avons atteint les limites de ce que l’être humain est en mesure de comprendre. Peut-être est-il temps de passer le flambeau.

*

Adam travaille sur des expériences de croissance microbienne. Adam formule des hypothèses et conçoit des stratégies de recherche. Adam, au laboratoire, manipule incubateurs et centrifugeuses. Sauf qu’Adam n’est pas un homme. Adam est un robot mis au point par l’équipe de Ross King, à l’université d’Aberystwyth, au pays de Galles. Adam a réussi à identifier les gènes d’une levure responsable de l’encodage de certains enzymes19.

En physique aussi, les machines sont en marche. Des chercheurs du Creative Machines Lab de l’université Cornell d’Ithaca, dans l’État de New York, ont conçu un logiciel qui, quand on lui fournit des données brutes, en extrait les équations qui régissent le mouvement de systèmes comme le pendule double chaotique. Il a fallu à l’ordinateur trente heures pour en déduire les lois de la nature que l’homme a mis des siècles à découvrir20.

Dans de récents travaux sur la mécanique quantique, le groupe d’Anton Zeilinger a eu recours à un logiciel ‒ surnommé Melvin ‒ pour concevoir des expériences dont se sont ensuite chargés des êtres humains21. Mario Krenn, étudiant en doctorat qui a eu l’idée d’automatiser la conception expérimentale, est ravi des résultats, mais reconnaît qu’il a encore « vraiment du mal à comprendre intuitivement ce qui se passe exactement22 ».

Et ce n’est que le début. L’identification de modèles et l’organisation de l’information sont des tâches essentielles dans les sciences, et les réseaux neuronaux artificiels y excellent tout particulièrement. Les ordinateurs de ce genre, conçus pour reproduire le fonctionnement d’un cerveau naturel, analysent désormais des ensembles de données qu’aucun être humain ne peut comprendre, et ils recherchent des corrélations à l’aide d’algorithmes d’apprentissage profond. Il est évident que le progrès technologique est en train de révolutionner ce que nous appelons le « travail scientifique ».

J’essaie d’imaginer le jour où nous n’aurons plus qu’à entrer toutes les données cosmologiques dans une intelligence artificielle (IA). Aujourd’hui, nous nous demandons ce que sont la matière noire et l’énergie noire, mais c’est une question qui n’aurait peut-être aucun sens pour l’IA. Elle va se contenter de faire des prédictions. Et nous les testerons. Et si l’IA a systématiquement raison, alors nous saurons qu’elle a réussi à trouver et extrapoler les bons modèles. Et cette chose-là sera notre modèle de concordance. Nous posons une question, nous obtenons une réponse ‒ et voilà.

Si vous n’êtes pas physicien, ce serait un peu comme si vous lisiez quelque chose sur des prédictions réalisées par une communauté de physiciens à coups de maths et de terminologie incompréhensible. Une boîte noire de plus. Vous auriez peut-être même davantage confiance en l’IA qu’en nous.

Mais les prédictions et leur utilisation dans le développement d’applications n’ont toujours été qu’une face de la science. L’autre face, c’est la compréhension. Nous ne voulons pas que des réponses, nous voulons des explications pour ces réponses. Un jour, nous finirons par atteindre les limites de nos capacités mentales, et ensuite, le mieux que nous pourrons faire sera de confier les questions à des machines à penser plus développées. Mais je pense qu’il est trop tôt pour cesser d’essayer de comprendre nos théories.

« Quand des jeunes rejoignent mon groupe, déclare Anton Zeilinger, on voit qu’ils cherchent leur chemin à tâtons dans le noir et qu’ils ne le trouvent pas intuitivement. Mais au bout d’un moment, deux ou trois mois, ils trouvent leur rythme, et ils développent cette compréhension intuitive de la mécanique quantique, et c’est vraiment très intéressant à observer. C’est comme apprendre à faire du vélo23. »

FIGURE 10. Captures d’écran du jeu vidéo Quantum Moves

Et l’intuition est liée à la découverte. Vous pouvez découvrir la mécanique quantique ‒ absolument sans aucune équation ‒ dans le jeu vidéo Quantum Moves24. Dans ce jeu, conçu par des physiciens de l’université d’Aarhus, au Danemark, les joueurs marquent des points quand ils trouvent des solutions efficaces à des problèmes quantiques, comme le déplacement d’atomes d’un creux potentiel à un autre. Les atomes simulés obéissent aux lois de la mécanique quantique.

Ils ne se présentent pas sous la forme de petites billes, mais comme un fluide étrange soumis au principe d’incertitude et qui peut creuser des tunnels d’un endroit à un autre. Il faut un peu de temps pour se familiariser avec le jeu. Mais à la surprise des chercheurs, la meilleure solution, qu’ils ont récupérée à partir des stratégies des joueurs, s’est révélée plus efficace que celle qu’avait trouvée un algorithme informatique25. Dans le domaine de l’intuition quantique, apparemment, l’homme est supérieur à l’IA. Pour le moment du moins.

Alors, me dis-je, peut-être devrions-nous simplement cesser de nous répéter les uns aux autres que la mécanique quantique est bizarre, peut-être serait-il temps de s’y faire. C’est une technologie avancée, d’accord, mais quand même bien loin de la magie.

*

À en juger par la plaisanterie de Chad sur le fait que la mécanique quantique est magique, accompagnée d’un haussement d’épaules, il n’a pas l’air de faire grand cas de l’interprétation des mathématiques. Or, il est difficile de ne pas les interpréter. Si vous avez fréquemment recours à un formalisme mathématique, vous aurez une idée de ce qui se passe pendant le calcul. Vous ne vous contentez pas de considérer le résultat, vous découvrez aussi comment vous y êtes arrivé. Et l’esprit humain s’intéresse davantage aux abstractions si elles sont enrobées dans une histoire.

« Avez-vous une interprétation favorite de la mécanique quantique ? demandé-je à Chad.

‒ Par tempérament, je suis plutôt du genre tais-toi et calcule, me répond-il. J’ai toujours l’impression que si on ne peut pas concevoir une expérience qui pourrait donner des résultats différents dans des cas différents, ça ne sert à rien. Il est intéressant de parler de ce qui arrive à tous les trucs bizarres sur la route qui mène à la réalité la plus banale. Mais, pour ce que je sais du domaine en l’état actuel des choses, aujourd’hui, personne ne peut vous proposer une expérience qui vous donnera un résultat différent pour, disons, les mondes multiples par rapport à [l’onde pilote]. En l’absence de cette expérience, on a recours à un choix esthétique.

» Mais je suis persuadé qu’il est très utile que des gens travaillent sur toutes les interprétations, parce que ça a une influence sur les questions dont on pense qu’elles valent la peine d’être posées. Et si on peut expliquer toutes les expériences à l’aide de n’importe quelle interprétation, certains types d’expériences se présentent plus naturellement si l’on a recours à certains types d’interprétations. »

En guise d’exemple, il cite des expériences qui étudient la courbe moyenne que suivent les particules quand elles passent par une double fente, des courbes qui ont un sens dans l’interprétation de l’onde pilote, mais n’en ont aucun si on pense que la fonction d’onde ne fait que collecter les informations d’un observateur. Par ailleurs, les expériences qui copient et effacent des états quantiques sont plus faciles à interpréter en termes de transfert d’information.

« Pourquoi débat-on autant de la “bonne” interprétation si elle n’est pas liée à l’expérimentation ? demandé-je.

‒ Comme je comprends les choses, me dit Chad, il y a un fossé entre le camp épistémologique et le camp ontologique. Dans le camp ontologique, la fonction d’onde est bien réelle, elle existe et change, tandis que dans le camp épistémologique, la fonction d’onde ne fait que décrire ce que l’on sait ‒ elle ne fait que quantifier notre ignorance du monde. Et vous pouvez placer tout le monde dans un continuum entre ces deux interprétations.

» D’un côté, les gens trouvent choquant qu’il y ait cet effondrement discontinu. Quand on est convaincu par l’approche épistémologique, ça paraît très laid. De l’autre, il y a l’argument classique d’Einstein, du style : est-ce que la lune est là quand on ne la regarde pas. »

Einstein pensait que la mécanique quantique était incomplète. Les objets, estimait-il, devraient avoir des propriétés définies, qu’on les observe ou non. L’idée qu’il est absurde de se dire que la lune n’est pas là quand personne ne la regarde illustre sa réflexion26. Gardez cependant à l’esprit que nous ne nous attendons pas à ce que les grands objets présentent des propriétés quantiques du fait de la décohérence. Comme le chat de Schrödinger, la lune d’Einstein est une exagération destinée à illustrer un problème plutôt qu’un vrai problème.

Chad revient sur l’intérêt de l’argument de la lune d’Einstein : « Les choses devraient exister, que l’on ait des informations sur elles ou non. Les gens veulent qu’il y ait une réalité sous-jacente, et dans le camp ontologique, ils trouvent horrible de dire que cette chose n’est pas vraiment là tant qu’on n’a pas mesuré une propriété quelconque. Donc, chaque camp trouve quelque chose de scandaleux dans le point de vue de l’autre camp.

‒ Et vous vous situez où ?

‒ Pour moi, les deux points de vue ont leur mérite, reconnaît-il. En gros, je suis d’accord avec le fait que ce qu’on découvre, ce sont des informations sur le monde, mais ça ne me dérange pas non plus de croire que l’on apprend ainsi quelque chose sur un état. Donc, je me situe vaguement au milieu.

‒ En physique des particules, dis-je, il y a des gens qui s’attardent sur des choses qu’ils n’aiment pas parce qu’ils pensent que ces défauts peuvent en fait servir de guides vers une meilleure théorie. Est-ce la même chose dans les fondations quantiques ?

‒ J’ai l’impression que ce n’est pas tout à fait comme dans la physique des particules, me confie-t-il. Dans la physique des particules, il y a des problèmes quantitatifs très précis que l’on peut identifier et auxquels on ne peut pas répondre. Comme l’énergie noire. On peut faire ce calcul pour l’énergie du vide et le résultat est 120 fois trop grand, et là, il faut faire quelque chose de dingue pour que ça disparaisse. Dans les fondations quantiques, nous pouvons tous être d’accord [sur ce qui se passe quand on émet un électron à travers une double fente]. La question tient à ce que l’on croit qu’il lui arrive sur son chemin vers la fente.

» Tout le monde peut avoir recours au formalisme [mathématique] existant et effectuer les calculs et obtenir le bon résultat avec un nombre ridicule de décimales. Donc, ce n’est pas un problème quantitatif. C’est beaucoup plus philosophique dans les problèmes de la physique des particules. Les deux ont un élément esthétique. Les deux donnent l’impression que ça ne devrait pas être comme ça parce que c’est laid en termes mathématiques. Mais dans les fondations quantiques, le désaccord quantitatif n’existe pas. Les gens ne sont pas contents des choses bizarres qui, nous le savons, doivent être vraies, et ils s’efforcent de trouver des moyens de les contourner.

» Une grande partie des trucs philosophiques avec lesquels on se retrouve avec le quantum frise les réflexions philosophiques à la limite de l’absurde, comme la question que pose Eugene Wigner : “De toute façon, pourquoi pouvons-nous décrire des choses avec les mathématiques27 ?” Et si ça se pose dans ces termes-là, on peut perdre des heures de sommeil à se demander pourquoi l’univers obéit à des lois mathématiques simples et élégantes s’il n’y a aucune raison pour que ce soit comme ça. Mais on peut mettre tout ça à la poubelle et dire : “Écoutez, nous avons des lois simples et élégantes et nous pouvons faire les calculs ;” C’est ce que je pense.

‒ Mais est-ce que cette attitude est utile quand vous cherchez à développer une nouvelle théorie ?

‒ Oui, c’est justement ça qui est en jeu, là, conclut-il. Peut-être qu’il nous faut réfléchir à ces questions philosophiques et à ces choses qui ne sont pas calculables. Mais peut-être que les maths sont juste moches et qu’il faut quand même s’en dépatouiller pour avancer. »

EN BREF

* La mécanique quantique fonctionne admirablement, mais beaucoup de physiciens se plaignent du fait qu’elle est laide et qu’elle n’est pas intuitive.

* L’intuition peut découler de l’expérience, or la mécanique quantique est une théorie relativement jeune. Les générations futures la trouveront peut-être plus intuitive.

* Dans les fondations de la mécanique quantique aussi, on ne sait pas exactement quel est vraiment le problème qu’il faut résoudre.

* Peut-être est-il plus difficile de comprendre la mécanique quantique que nous ne le pensions.

* Le noyau atomique d’un élément chimique a un nombre fixe de protons, mais peut avoir des nombres différents de neutrons. Ces variations du même élément sont appelées des isotopes (NdA).

Chapitre 7

Une théorie pour les gouverner tous

Où je m’efforce de savoir si quelqu’un se soucierait des lois de la nature si elles n’étaient pas belles. Je fais halte en Arizona, où Frank Wilczek me raconte sa Petite Théorie de Quelque Chose, puis je m’envole vers Maui afin d’écouter Garrett Lisi. J’apprends quelques faits peu reluisants et dénombre des physiciens.

Convergences

La dernière fois que nous avons eu une théorie de tout, c’était il y a 2 500 ans. Le philosophe grec Empédocle avait postulé que le monde était composé de quatre éléments : la terre, l’eau, l’air et le feu. Plus tard, Aristote y ajouta un cinquième élément, l’éther, ou quintessence céleste. Depuis, jamais il n’a été aussi facile de tout expliquer.

Dans la philosophie d’Aristote, chaque élément combine deux propriétés : le feu est sec et chaud, l’eau humide et froide, la terre sèche et froide, et l’air humide et chaud. Le changement survient parce que (1) les éléments tentent de rejoindre leur place naturelle ‒ l’air monte, les roches tombent, etc. ‒ et parce que (2) ils peuvent échanger une de leurs propriétés à la fois tant que cela n’aboutit pas à des contradictions, si bien que le feu sec et chaud peut devenir de la terre sèche et froide, de l’eau humide et froide peut devenir de l’air humide et chaud, et ainsi de suite.

Postuler que les roches tombent parce que c’est leur tendance naturelle revient à ne pas expliquer grand-chose, mais on peut supposer que c’était une théorie simple qui pouvait être résumée par un diagramme symétrique satisfaisant (figure 11).

FIGURE 11. Schéma des quatre éléments d’Aristote et de leurs relations, une théorie qui remonte au IVe siècle avant notre ère. On a retrouvé des classifications comparables dans les civilisations orientales à peu près à la même époque.

Mais même au IVe siècle avant notre ère, il est devenu évident que ce système était trop simple. Les alchimistes ont commencé à isoler de plus en plus de substances, une diversité que ne pouvait expliquer une théorie ne reposant que sur quatre éléments. Il a cependant fallu attendre le XVIIIe siècle pour que les chimistes comprennent que toutes les substances sont des combinaisons d’un nombre relativement restreint d’« éléments » (à l’époque, on pensait qu’il y en avait moins d’une centaine) impossibles à décomposer davantage. On était entré dans l’ère du réductionnisme.

Entre-temps, Newton comprit que la chute des roches et le mouvement des planètes avaient une cause commune : la gravité. Joule montra que la chaleur était un type d’énergie, l’une et l’autre, a-t-on découvert par la suite, ayant pour origine le mouvement de toutes petites choses appelées des atomes. Il existait un type d’atome différent pour chaque élément chimique. Maxwell associa électricité et magnétisme pour en faire l’électromagnétisme. Et à chaque fois, des effets qui ne semblaient jusqu’alors pas liés étaient expliqués par une théorie commune, de nouvelles perspectives et de nouvelles applications étaient développées : les marées sont causées par la lune, l’énergie peut servir à la réfrigération, les circuits peuvent produire une radiation électromagnétique.

À la fin du XIXe siècle, les physiciens se sont aperçus que les atomes ne pouvaient émettre ou absorber la lumière qu’à des longueurs d’onde spécifiques, mais ils ne pouvaient pas expliquer la régularité des modèles qu’ils observaient. Pour donner du sens à cette dernière, ils ont développé la mécanique quantique, qui expliquait non seulement ces spectres atomiques, mais aussi la plupart des propriétés des éléments chimiques. Dans les années 1930, les physiciens ont découvert que tous les atomes ont un noyau composé de particules plus petites appelées des neutrons et des protons, entourées d’électrons. Une nouvelle étape était franchie pour le réductionnisme.

L’histoire de l’unification se poursuit alors avec Einstein, qui combina l’espace et le temps et obtint la relativité spéciale, puis qui fusionna la gravité avec la relativité spéciale pour donner la relativité générale. Il a dès lors été nécessaire d’éliminer les contradictions entre la mécanique quantique et la relativité spéciale, ce qui a abouti à la quantification réussie de l’électrodynamique.

Je crois que c’est plus ou moins à ce moment-là que nos théories étaient les plus simples. Mais même à l’époque, les physiciens connaissaient la radioactivité, une chose que même l’électrodynamique quantifiée ne peut pas expliquer. Une nouvelle interaction faible était tenue pour responsable de la décomposition et a été ajoutée à la théorie. Puis les collisionneurs de particules ont atteint des niveaux d’énergie assez élevés pour analyser l’interaction forte, et les physiciens ont découvert le zoo des particules1. Cette floraison temporaire de complexité a été promptement fauchée par la théorie de l’interaction forte et de l’interaction électrofaible, qui a révélé que l’essentiel du zoo était composite, ne consistant qu’en 24 particules que l’on ne peut pas décomposer davantage.

Ces 24 particules (et le boson de Higgs, ajouté plus tard, pour parvenir à un total de 25) restent élémentaires aujourd’hui, et le modèle standard plus la relativité générale expliquent toujours toutes les observations. Nous les avons gonflées avec la matière et l’énergie noire, mais puisque nous ne disposons d’aucune donnée sur la structure microscopique de ces trucs noirs, on peut pour l’instant s’en accommoder sans difficulté.

L’unification, elle, a connu un tel succès que les physiciens se sont dit que la prochaine étape logique serait une théorie de grande unification, ou GUT (grand unified theory*).

*

Nous classons les symétries de nos théories à l’aide de ce que les mathématiciens appellent un « groupe ». Le groupe rassemble toutes les transformations qui ne devraient pas modifier la théorie si la symétrie est respectée. Le groupe de symétrie du cercle, par exemple, se compose de toutes les rotations autour du centre, et porte le nom de U(1).

Mais jusqu’à présent, dans notre discussion à propos de la symétrie, nous n’avons abordé que les symétries des équations, des lois de la nature. Or, ce que nous observons n’est pas décrit par les équations elles-mêmes, mais par une solution des équations. Et ce n’est pas parce qu’une équation a une symétrie que ses solutions ont la même.

Imaginons une toupie en rotation sur une table (voir figure 12). Son environnement est le même dans toutes les directions parallèlement à la surface de la table, et donc, les équations de mouvement sont rotationnellement symétriques autour de chaque axe vertical par rapport à la table. Si l’on imprime une rotation à la toupie, son mouvement est régi par la perte de moment cinétique due à la friction. Mais pour finir, elle oscille et s’arrête. Elle pointera alors dans une direction donnée. On dit que la symétrie est brisée.

FIGURE 12. Une toupie en rotation, tant qu’elle est en mouvement, est rotationnellement symétrique. Quand elle perd de l’énergie à cause de la friction, la symétrie est brisée.

Il en va de même des symétries fondamentales. Les énergies auxquelles nous sommes normalement confrontés dans notre quotidien sont déterminées par la température de l’environnement dans lequel nous nous trouvons. En termes de physique des particules, ces énergies de tous les jours sont minuscules. La température d’une pièce, par exemple, correspond à environ 1/40 d’un eV, soit 14 ordres de grandeur de moins que l’énergie que le LHC injecte dans les collisions de protons. À des niveaux d’énergie aussi faibles que la température d’une pièce, la plupart des symétries fondamentales sont brisées. À de hauts niveaux, en revanche, elles peuvent être « rétablies ».

Ainsi, la symétrie de l’interaction faible est restaurée à peu près aux niveaux d’énergie du LHC, ce qui se signale par la production du boson de Higgs.

*

Le modèle standard a besoin de trois groupes de symétrie différents ‒ U(1) et SU(2) pour l’interaction faible et SU(3) pour l’interaction forte. Ce sont de petits groupes, comme le prouvent leurs nombres. Mais les grands groupes de symétrie peuvent souvent être subdivisés en plusieurs groupes plus petits, et par conséquent, un grand groupe dont la symétrie est brisée à de hauts niveaux d’énergie pourrait aboutir au modèle standard aux niveaux d’énergie que nous observons. Dans ce tableau, la symétrie de la théorie de la grande unification ressemble à un éléphant, dont nous n’avons pour l’instant, à des niveaux d’énergie faibles, qu’une oreille, la queue et une patte. L’éléphant entier ne serait restauré qu’à l’énergie d’unification, estimée à environ 1016 GeV, ou 15 ordres de grandeur au-dessus des énergies du LHC.

La première proposition pour cette symétrie unifiée a utilisé le plus petit groupe qui contient les groupes de symétrie du modèle standard, SU(5). Mais des forces unifiées de ce genre autorisent de façon générique de nouvelles interactions qui permettent aux protons de se décomposer. Et si les protons sont instables, alors tous les noyaux atomiques le sont aussi. Dans les théories unifiées de ce type, la durée de vie du proton pourrait atteindre 1031 ans, dépassant de loin l’âge actuel de l’univers. Mais à cause de la mécanique quantique, cela signifierait simplement que la durée de vie moyenne du proton serait aussi longue. Une fois que les protons peuvent se décomposer, cela peut se produire rapidement ; c’est juste que les décompositions rapides sont rares.

Il y a 10 protons dans chaque molécule d’eau, et 1025 molécules d’eau dans chaque litre d’eau. Et donc, au lieu d’attendre 1031 ans pour assister à la décomposition d’un seul proton, nous pouvons surveiller une grande citerne d’eau et attendre qu’un de ses protons se décompose. Des expériences comme celle-ci sont lancées depuis le milieu des années 1980, mais pour l’heure, personne n’a encore vu un proton se décomposer. Les observations actuelles (ou leur absence) impliquent que la durée de vie moyenne des protons est supérieure à 1033 ans. Ce qui exclut une unification avec SU(5).

La tentative suivante de parvenir à l’unification a eu recours à un groupe plus grand, SO(10), qui accroît encore la durée de vie du proton. Depuis, on a testé divers autres groupes de symétrie, dont certains repoussent la durée de vie du proton jusqu’à 1036 ans, ce qui dépasse même les expériences à venir.

Outre la décomposition du proton, les théories de grande unification prédisent également de nouvelles particules parce que les grands groupes en contiennent plus que ce que l’on trouve dans le modèle standard. Comme d’habitude, on assume que ces nouvelles particules sont trop lourdes pour avoir été détectées. Et donc, les physiciens théoriciens disposent désormais d’une sélection de théories unifiées qui ne risquent pas d’être éliminées par l’expérience dans un avenir prévisible.

Mais à elle seule, la grande unification ne résout pas le problème de la masse du boson de Higgs. Pour cela, les physiciens soumettent également la grande unification à la supersymétrie. Nous savons que la supersymétrie ‒ si elle est une symétrie de la nature ‒ doit être brisée à des énergies supérieures à ce que nous avons testé jusqu’à présent, parce que nous n’avons pas encore vu de particules SUSY. Mais nous ne savons pas encore à quelle énergie la symétrie est restaurée ‒ si même elle l’est. L’argument qui veut que la supersymétrie rende naturelle la masse du boson de Higgs signifie que l’énergie à laquelle SUSY est brisée aurait dû être accessible dans le LHC.

Quand on ajoute la supersymétrie à la grande unification, on ne fait pas qu’augmenter le nombre de symétries. Cela présente en outre l’avantage d’avoir tendance à légèrement accroître la durée de vie du proton. Certaines variantes de SU(5) supersymétriques, par exemple, se trouvent encore à la limite de la viabilité. Mais la principale raison d’ajouter la supersymétrie est une autre coïncidence numérique, que nous avons abordée au chapitre 4 : l’unification du couplage de jauge (figure 8).

De plus, les théories de grande unification présentent une structure plus stricte que le modèle standard, ce qui renforce encore leur attrait. Par exemple, la théorie de l’interaction faible n’est pas une unification satisfaisante parce qu’elle comporte encore deux groupes différents ‒ U(1) et SU(2) ‒, et deux constantes de couplage qui leur sont associées. Ces deux constantes sont reliées par un paramètre connu en tant qu’« angle de mélange électrofaible », et dans le modèle standard, la valeur de ce paramètre doit être déterminée par des mesures. Cependant, dans la plupart des GUT, l’angle de mélange électrofaible est fixé à 3/8 par la structure de groupe à des énergies de GUT. Quand on l’extrapole à des énergies faibles, cela est compatible avec les données expérimentales.

Pour beaucoup de physiciens, ces nombres ne sont pas des coïncidences. On m’a si souvent affirmé que ça devait vouloir dire quelque chose que moi-même, parfois, j’en viens à le croire. Reste qu’il y a quelques « mais » dont il faut que je vous parle.

En particulier, la convergence des couplages de jauge vers la même valeur dépend de l’énergie à laquelle la supersymétrie est brisée. Si l’énergie est supérieure à 2 TeV ou à peu près, la convergence commence à s’aggraver. Le LHC n’est pas loin d’écarter la possibilité que l’échelle de brisure de SUSY soit inférieure à ça, ce qui compromet une des caractéristiques les plus attrayantes de SUSY. Par ailleurs, si nous voulons une grande unification, rien ne justifie vraiment que les couplages se rencontrent tous à la même énergie, au lieu de deux d’entre eux d’abord, puis le troisième ensuite. Simplement, ça ne serait plus aussi joli, parce qu’il faudrait faire intervenir une échelle d’énergie supplémentaire.

Permettez-moi aussi de signaler que la convergence des constantes de couplage ne concerne pas exclusivement la supersymétrie. Elle est la conséquence de l’ajout de particules lourdes, qui commencent à jouer un rôle à de hauts niveaux d’énergie. On peut imaginer bien d’autres combinaisons de particules additionnelles qui pousseront ces courbes à se rencontrer. En supersymétrie, nous ne sommes pas libres de choisir les particules additionnelles, et les physiciens pensent que cette rigidité est un argument en faveur de la théorie. De plus, la rencontre des courbes dans SUSY a été une surprise, quand on l’a remarquée pour la première fois. Et comme on l’a vu auparavant, les physiciens accordent une plus grande attention aux découvertes inattendues.

Donc, il y a des « mais ». Toutefois, la supersymétrie a un autre point positif : quelques-unes des nouvelles particules supersymétriques présenteraient les bonnes propriétés pour composer la matière noire. Elles sont produites en abondance dans l’univers primitif, sont stables et donc persistantes, et n’interagissent que faiblement.

Par conséquent, la supersymétrie combine tout ce que les physiciens théoriciens ont appris à aimer : la symétrie, le naturel, l’unification et des perspectives inattendues. C’est ce que les biologistes nomment, à juste titre, un « stimulus supranormal » ‒ un déclencheur artificiel, mais irrésistible.

« La supersymétrie propose une solution à tous ces problèmes qui est indéniablement plus simple, plus élégante, et plus belle que toutes les autres théories avancées jusque-là. Si notre monde est supersymétrique, toutes les pièces du puzzle s’emboîtent parfaitement. Plus nous étudions la supersymétrie, plus la théorie devient convaincante », écrit le physicien des particules Dan Hooper2. D’après Michael Peskin, auteur de l’un des manuels les plus utilisés sur la théorie quantique des champs, SUSY est « la prochaine étape sur la voie d’une vision définitive du monde, où tout sera symétrique et beau3 ». David Gross la trouve « belle », « naturelle », « unique » et pense qu’« Einstein, s’il avait étudié [la supersymétrie], l’aurait adorée4 ». Et Frank Wilczek, bien que plus prudent, fait confiance à la nature : « Tous ces indices pourraient être trompeurs, mais ce serait vraiment cruel ‒ et de très mauvais goût ‒ de la part de Dame Nature5. »

Une théorie de quelque chose

Je suis à Tempe, en Arizona, et sous mes yeux, un jeune homme traverse la rue alors que le feu est au rouge. Le chauffeur de la navette écrase la pédale du frein et lâche une bordée d’injures, ce qui fait dérailler le train de mes pensées. Le jeune homme prend son temps pour quitter la chaussée, le regard rivé sur son téléphone portable. Une fois qu’il a fini de jurer, le chauffeur me parle du projet d’agrandissement de l’université, des étudiants de plus en plus nombreux que l’on croise à tous les coins de rue, des nouveaux services dont ils bénéficient, des nouveaux logements en chantier. Je hoche la tête, approuvant à la fois la jeunesse estudiantine américaine et les efforts du chauffeur pour ne pas l’écraser.

Il m’interroge alors sur les raisons de ma visite, et quand il apprend que je me rends au département de physique, il me demande si j’ai quelque chose à voir avec le CERN. Ce qui n’est pas du tout le cas, mais il veut juste savoir si j’y ai jamais mis les pieds. Oui, j’y suis allée, et j’ai vu le tunnel, et des aimants, et le plus grand détecteur, ATLAS, alors qu’il était encore en construction. Et sinon, j’ai surtout vu beaucoup de transparents, bu trop de café lors d’une conférence dont je n’ai pas grand souvenir en dehors de ça. Il me dit avoir envie un jour d’aller visiter le CERN, il suit tous les travaux et espère que nous allons découvrir quelque chose de nouveau. À l’idée que nous n’en avons encore rien fait, je me sens coupable, et plus encore à l’idée qu’on ne découvrira probablement rien. Redoutant de le décevoir, c’est tout juste si je ne lui présente pas mes excuses.

Le lendemain matin, je me fais deux ampoules en m’entêtant, pour une fois, à ne pas mettre des baskets, et j’arrive juste à temps pour m’apercevoir que le bâtiment où je suis censée retrouver Frank Wilczek est fermé. Mais je n’ai pas longtemps à attendre avant de le voir, coiffé d’un grand chapeau, qui me fait signe de la main dans la rue. Ne tenant pas à me faire d’autres ampoules, j’opte pour ce qu’il y a de plus proche, un bistrot qui propose des petits-déjeuners.

Frank vient régulièrement à l’Université d’État de l’Arizona. En ce moment, il est là dans le cadre du Origins Project, une initiative pluridisciplinaire avec un remarquable programme de sensibilisation consacré à l’exploration des questions fondamentales. Ce soir, il va participer à une table ronde animée par Lawrence Krauss, le directeur du projet. C’est Frank qui a baptisé l’axion. Il a un faible pour les squilles, ou « crevettes-mantes », et il a été littéralement submergé de récompenses6. En 2004, il a remporté le prix Nobel, avec David Gross et H. David Politzer, pour avoir découvert la liberté asymptotique de l’interaction forte, ce qui veut dire qu’elle devient faible à des distances rapprochées. Mais sachant ce qui me préoccupe, c’est son côté artiste qui le rend particulièrement intéressant.

Dans son livre A Beautiful Question, paru depuis peu, Frank se demande si « le monde est l’incarnation de belles idées », et il répond à sa question par un « oui » retentissant. Mais je sais déjà que le monde est l’incarnation de belles idées. Ce que je veux savoir, c’est s’il est aussi l’incarnation d’idées laides et si, dans ce cas, nous continuerions à les considérer comme laides.

Je fouille dans mon sac à dos, sûre que, dans l’avion, j’ai noté des questions à lui poser, mais je n’arrive pas à les retrouver. Ça ne doit pas être bien difficile, me rassuré-je, de toute façon, il a sans doute un discours tout préparé. Au hasard, je demande : « Quelle est l’importance de la beauté dans la physique théorique ? » Et le voilà lancé.

« Quand on s’attaque à des domaines de la réalité qui nous sont peu familiers ‒ le royaume subatomique, quantique ‒, l’intuition de tous les jours n’est pas fiable, commence Frank. Et l’idée de simplement collecter une masse de données, comme Francis Bacon et Isaac Newton le recommandaient, c’est tout simplement peu pratique, parce que les expériences sont si compliquées, de nos jours. La meilleure façon d’avancer, qui a très bien fonctionné pendant l’essentiel du XXe siècle, c’est d’espérer que les équations seront très belles, qu’elles seront symétriques et économiques, puis d’en déduire des conséquences et de les vérifier.

‒ Qu’est-ce qui fait qu’une théorie est belle ? lui demandé-je. Vous avez dit qu’il faut qu’elle soit économique et qu’elle présente une symétrie ?

‒ La symétrie joue un rôle, c’est clair, me répond-il. Vous le savez, les théories sont de plus en plus sophistiquées ‒ il y a la symétrie locale, la symétrie de l’espace-temps, l’anomalie symétrique, la symétrie asymptotique ‒, autant de concepts qui se sont tous révélés de grande valeur. Mais il y a aussi un concept plus primitif de la beauté. On sait quand on est en sa présence. C’est quand on obtient plus que ce que l’on a mis. C’est quand on introduit un concept pour expliquer une chose et qu’on s’aperçoit qu’il explique aussi autre chose. Tout cela contribue au sentiment qu’une théorie est valide.

» Dans la plupart des cas, je pense que l’on peut tout à fait dire qu’il s’agit d’un aspect de la beauté, poursuit-il, mais c’est légèrement différent ‒ c’est l’économie et la simplicité.

‒ Vous pensez qu’une meilleure théorie doit être plus simple que celles que nous avons aujourd’hui ?

‒ Eh bien, nous verrons, dit Frank. La nature fait ce qu’elle doit. Personnellement, j’espère bien qu’elle est plus simple. Mais pour l’instant, ce n’est pas clair. J’imagine que le candidat le plus sérieux au statut de meilleure théorie ‒ meilleure au sens où elle regrouperait la gravité et d’autres interactions d’une façon intime et résoudrait [le problème de la gravité quantique] ‒, c’est la théorie des cordes. [Mais] je pense qu’on ne comprend pas clairement ce qu’est cette théorie. C’est une sorte de marécage d’idées qui n’ont pas encore pris forme, et il est trop tôt pour dire si elle est simple ou non ‒ voire si elle est juste ou non. Pour l’instant, elle n’a certainement pas l’air simple.

‒ Si nous avions des données, nous pourrions prendre une décision plus facilement, fais-je remarquer.

‒ Oui, ça serait beaucoup plus facile, reconnaît Frank. Mais il faut aussi admettre qu’avoir une théorie de la physique qui ne vous dit rien sur le monde physique est un concept très particulier. Donc, quand vous dites que nous n’avons pas de données, pour moi, ça veut aussi dire que nous n’avons pas de théorie physique. Si on n’a pas de données, de quoi parle-t-on ?

‒ Elle a une limite quand on arrive à la gravité, dis-je en tentant de défendre la théorie des cordes, donc, au moins, on sait que dans une partie de l’espace des paramètres elle décrit quelque chose que l’on voit.

‒ Si on ne s’impose pas des critères trop rigoureux, c’est sûr. Mais je ne pense pas que nous devrions accepter des compromis sur cette idée de la physique post-empirique. Pour moi, c’est affreux, vraiment affreux. »

Je ne savais pas que Frank avait suivi la controverse sur la nécessité de revisiter la méthode scientifique pour justifier la théorie des cordes. « J’allais justement vous poser la question. Je ne sais pas dans quelle mesure vous avez suivi le débat…

‒ Pas dans les détails. Mais ça m’a suffi, cette idée de la physique post-empirique.

‒ C’est lié à ce livre de Richard Dawid, qui a commencé par faire carrière dans la physique avant de se tourner vers la philosophie. »

D’après Richard, expliqué-je, il est logique, pour les théoriciens des cordes, de prendre en considération toutes les informations disponibles, y compris les propriétés mathématiques, pour évaluer leur théorie.

« Mais à quoi sert une telle théorie si elle n’explique rien ? m’oppose Frank.

‒ Richard ne dit rien à ce sujet.

‒ Eh bien, voilà comment je vois les choses. Si on disposait d’une once de preuve expérimentale qui vienne à l’appui de la théorie de manière décisive, on n’entendrait pas de pareils arguments. On ne les entendrait pas. Personne ne s’en soucierait. C’est juste une solution de repli. C’est crier victoire alors qu’on jette l’éponge. Je n’aime pas ça du tout. »

Oui, pensé-je, le débat sur les arguments post-empiriques est né de l’absence d’arguments empiriques. Mais le simple fait de le savoir ne nous fait pas avancer.

« Mais quand c’est difficile et quand ça coûte si cher de faire de nouvelles expériences, il est irréaliste d’espérer qu’on va simplement tomber par hasard sur de nouvelles données, souligné-je. Il faut décider où chercher ‒ et pour quoi nous avons besoin d’une théorie. Ce qui amène à se poser la question de savoir sur quelle théorie travailler, même en l’absence de données. Et c’est pour ça que Richard dit que certaines théories sont plus plausibles que d’autres pour diverses bonnes raisons sur lesquelles s’appuient les théoriciens. Par exemple l’absence d’alternatives ‒ moins on trouve d’alternatives, plus il est probable que les options qui ont été découvertes sont correctes. Selon Richard, du moins. Mais il n’aborde pas la question de l’esthétique. Ce qui, pour moi, est une omission considérable ‒ parce que les physiciens se servent bel et bien de critères esthétiques.

‒ Bien sûr. Mais cette discussion me semble très abstraite, totalement coupée de la réalité. Et il y a des expériences passionnantes ; nous n’avons pas besoin de ça. Il y a des expériences qui recherchent les axions, le dipôle électrostatique, les décompositions rares ‒ et là, ça ne concerne que la physique des particules. Car il y a aussi la cosmologie, les ondes gravitationnelles, des objets bizarres dans le ciel. On pourrait très bien se retrouver avec tout un tas d’anomalies. Nous n’avons pas besoin que les théoriciens discutent entre eux pour guider les expériences. »

Oui, il y a des expériences, mais depuis des décennies, elles ne font que confirmer les théories qui existent déjà. Pour ce que j’en sais, si les théoriciens discutent trop entre eux, c’est à la fois la cause et le résultat du manque de données.

« Les prédictions pour les expériences des dernières décennies, elles n’ont pas non plus connu un énorme succès, constaté-je.

‒ Ah, elles ont trouvé la particule de Higgs, dit Frank.

‒ Oui, mais ça n’était pas hors de portée de la physique du modèle standard », répliqué-je, sans insister sur le fait que la prédiction en question remonte aux années 1960.

« Tangentiellement, la légèreté du boson de Higgs suggère la supersymétrie, affirme Frank.

‒ Il est encore assez lourd pour faire craindre à certains qu’il n’y ait pas de SUSY.

‒ C’est vrai, convient-il, mais ça aurait pu être bien pire.

‒ N’empêche qu’ils n’ont pas trouvé de partenaires SUSY, dis-je. Est-ce que ça vous inquiète ?

‒ Ça commence à m’inquiéter, oui. Je n’ai jamais cru que ça serait facile. Il y a eu des progrès à partir [des expériences du LEP] et la décomposition des protons depuis longtemps, et ça indique que beaucoup de superpartenaires doivent être lourds. Mais la modernisation énergétique [du LHC] nous donne une nouvelle chance. L’espoir fait vivre.

‒ Beaucoup de gens, aujourd’hui, redoutent que SUSY ne se montre pas dans le LHC, dis-je, parce que ça veut dire que quelle que soit la théorie sous-jacente elle n’est pas naturelle ou elle est ajustée. Qu’en pensez-vous ?

‒ Beaucoup de choses sont ajustées, et nous ne savons pas pourquoi. Je ne croirais certainement pas à la supersymétrie s’il n’y avait pas l’unification des couplages de jauge, que je trouve très impressionnante. Je ne peux pas croire que ce soit une coïncidence. Malheureusement, ce calcul ne nous donne pas d’information précise sur l’échelle de masse où SUSY devrait apparaître. Mais les chances d’unification commencent à être compromises à partir du moment où des partenaires SUSY ne se sont pas montrés aux environs de 2 TeV. Pour moi, c’est la seule raison de rester optimiste.

‒ Donc, vous ne craignez pas que la théorie sous-jacente ne soit pas naturelle ?

‒ Non, elle est peut-être pratiquement minime, ou c’est un aspect de la brisure de symétrie que nous ne comprenons pas. Ce sont des théories compliquées. Je pense que les découvertes expérimentales vont nous apprendre quelque chose. Ou alors, il va falloir que nous apprenions à vivre avec le non-naturel. Le modèle standard lui-même est déjà très peu naturel. Le [paramètre] qui donne sa masse à l’électron est déjà de 10-6. C’est comme ça et c’est tout, dit-il en haussant les épaules.

‒ Donc, ça ne vous inquiète pas vraiment.

‒ Non. L’argument en faveur de SUSY serait encore plus convaincant si, eh bien, on l’avait découverte. Si elle avait résolu clairement le problème de la hiérarchie, pour être plus réaliste. Mais pour moi, l’argument le plus incontournable, et de loin, c’est l’unification du couplage, et elle n’a pas disparu.

‒ Alors, ça ne vous dérangerait pas de dire qu’il y a des théories sous-jacentes et qu’en voilà les paramètres et qu’ils sont simplement ce qu’ils sont ? insisté-je.

‒ Eh bien, il faudrait quand même finir par développer une meilleure théorie. Là encore ‒ il n’y a pas besoin d’avoir une théorie de tout pour avoir une théorie de quelque chose. Mais si une théorie explique bien une chose, pour moi, c’est une indication très encourageante.

‒ Vous savez sans doute que Steven Weinberg a établi cette analogie avec un éleveur de chevaux, entamé-je.

‒ Un quoi ? Un éleveur de chevaux ? Non.

‒ L’éleveur a vu beaucoup de chevaux, et maintenant, il peut regarder un cheval et dire “c’est un beau cheval” parce que, d’expérience, il sait que c’est le genre de cheval qui gagne des courses. »

Frank répond : « Je pense qu’il y a des choses, dans notre sens de la beauté, que nous pouvons comprendre ‒ ce n’est pas totalement mystérieux. La symétrie en fait assurément partie, tout comme l’économie. Il ne faut pas qu’il y ait d’élément irrésolu. Mais je crois qu’il est trop ambitieux de vouloir trouver une définition exacte. Est-ce que vous cherchez à savoir quels circuits, dans votre cerveau, vous font penser que quelque chose est beau ? En règle générale, pour ce qui est de la beauté, les gens en viennent à la même conclusion.

‒ Eh bien, c’est que nous sommes tous faits dans le même moule, plus ou moins, dis-je. Et pourquoi ce sens de la beauté devrait-il être important pour les lois de la nature ?

‒ Je pense que c’est dans l’autre sens que ça marche, me rétorque Frank. L’être humain a une meilleure chance dans la vie s’il a un modèle précis de la nature, si ses concepts correspondent à la façon dont les choses se comportent effectivement. Donc, l’évolution récompense le genre de sensation que vous procure le fait d’avoir raison, et c’est ça, le sens de la beauté. C’est quelque chose que nous voulons continuer à faire, c’est ça que nous trouvons attirant. Par conséquent, les explications réussies nous séduisent. Et au fil des siècles, les gens ont décelé des modèles dans ce que sont les idées qui fonctionnent. Et nous avons appris à les considérer comme belles.

» À ça s’ajoute un processus d’apprentissage de ce qui a fonctionné. Donc, nous sommes formés à admirer ce qui réussit et ce qui est beau. Et nous affinons notre sens de la beauté au fur et à mesure que nous acquérons de l’expérience, et l’évolution nous encourage à trouver satisfaisante l’expérience de l’apprentissage.

» Alors, voilà ma petite théorie sur la raison pour laquelle les lois sont belles. Je pense qu’elle n’est pas totalement inexacte. » Il marque un temps d’arrêt avant d’ajouter : « Et il y a aussi un argument anthropique. Si les lois n’étaient pas belles, nous ne les aurions pas trouvées.

‒ La question est quand même de savoir si on va continuer à les trouver, fais-je. Nous cherchons des choses nouvelles, auxquelles nous n’avons jamais été exposés auparavant.

‒ Je ne sais pas, dit Frank. On verra.

‒ Vous connaissez le livre de McAllister 7? Il avance une version modernisée de l’idée kuhnienne qui veut que la science fonctionne par révolutions. D’après McAllister, les scientifiques ne rejettent pas tout pendant une révolution. Ils ne se débarrassent que de leur conception de la beauté. Donc, chaque fois qu’il y a une révolution dans les sciences, ils ont développé une nouvelle idée de la beauté. Il en donne des exemples : la théorie de l’état stationnaire, la mécanique quantique, et cætera.

» Si c’était vrai, continué-je, ça me dirait que rester bloqué sur les idées de la beauté héritées du passé, c’est exactement ce qu’il ne faut pas faire.

‒ Oui, tout à fait, approuve Frank. C’est normalement un bon principe directeur. Mais parfois, il faut introduire quelque chose de nouveau. Dans chacun de ces exemples, on s’aperçoit malgré tout que les nouvelles idées sont belles, elles aussi.

‒ Mais les gens n’ont découvert cette nouvelle beauté qu’après que des données les ont obligés à la prendre en considération, remarqué-je. Et je crains que nous ne soyons pas capables d’atteindre ce stade. Parce que nous sommes pris au piège de cette vieille idée de la beauté que nous utilisons pour développer des théories et proposer des expériences pour les tester.

‒ Vous avez peut-être raison. »

Le nombre fait la force

Je ne suis pas tout à fait convaincue par la petite théorie de Frank Wilczek pour expliquer pourquoi les lois sont belles. Si la perception est une réaction à la réussite d’une théorie développée au fil de notre évolution, pourquoi tant de physiciens théoriciens se désolent-ils de la laideur du modèle standard, théorie qui a connu un succès sans pareil ? Et pourquoi voient-ils de la beauté dans des théories qui ont échoué, comme l’unification SU(5) ? Je dois avouer que je trouve l’explication de Frank séduisante, mais ça ne veut pas dire qu’elle est correcte.

Quoi qu’il en soit, si nous apprenons à trouver belles les théories qui fonctionnent, cela ne veut pas dire que nous pouvons utiliser notre sens de la beauté pour développer des théories qui fonctionnent encore mieux. Cela signifie juste que nous allons bâtir d’autres théories du même type. « Si les lois n’étaient pas belles, nous ne les aurions pas trouvées », a dit Frank. C’est bien ce qui m’inquiète. Je préférerais encore une explication hideuse plutôt que pas d’explication du tout, mais s’il a raison, peut-être ne trouverons-nous jamais une théorie plus fondamentale si elle ne nous paraît pas assez belle.

« Mais, me direz-vous, il y a toujours eu des scientifiques qui se sont retrouvés piégés par des théories belles, mais fausses. Les scientifiques ont toujours dénigré à tort des collègues dont il s’est avéré par la suite qu’ils avaient raison. Il y a toujours eu la pression de la communauté, il y a toujours eu de la concurrence, il y a toujours eu le biais, l’instinct grégaire, les vœux pieux et l’orgueil professionnel. Mais au bout du compte, ça n’a jamais eu d’importance. Les bons finissent par l’emporter, les mauvais par perdre. La vérité s’impose, le progrès poursuit sa marche en avant. La science, ça marche, tas de crétins. Pourquoi ça changerait maintenant ? »

Parce que la science a changé, et qu’elle continue à changer.

PLUS DE SCIENTIFIQUES : Le changement le plus évident, c’est que nous sommes plus nombreux. Le nombre de doctorats de physique décernés aux États-Unis a augmenté, passant d’à peu près 20 par an en 1900 à 2 000 par an en 2012, soit une augmentation d’un facteur d’environ 1008. On retrouve la même évolution quand on s’intéresse aux membres de la Société américaine de physique : ils étaient 1 200 en 1920, ils sont 51 000 en 2016. En Allemagne, les statistiques sont comparables : la Société allemande de physique compte aujourd’hui environ 60 000 membres, pour 145 en 19009. À en juger par le nombre d’auteurs d’articles dans le domaine de la physique, la moyenne globale a augmenté un peu plus vite, d’un facteur d’à peu près 500 entre 1920 et 200010.

PLUS D’ARTICLES, PLUS DE SPÉCIALISATION : Or, qui dit plus de scientifiques dit plus d’articles. En physique, la croissance annuelle de l’édition d’articles est d’environ 3,8 à 4 % par an depuis 1970, autrement dit, elle a presque doublé en près de 18 ans11. Ce qui fait de la physique un domaine scientifique qui progresse lentement ‒ signe de la maturité du domaine.

La littérature de physique ayant crû, elle s’est subdivisée en des sous-domaines distincts (une étude récente en a identifié dix principaux), chacun s’auto-référençant12. De ces subdivisions, celles qui s’auto-référencent le plus sont la physique nucléaire et la physique des particules élémentaires et des champs. La plupart des sujets abordés dans ce livre ressortissent à la deuxième.

Cette spécialisation, qu’indique cette littérature auto-référencée, est un signe d’amélioration de l’efficacité, mais elle peut freiner le progrès13. Dans un article publié dans Science en 2013, un groupe de chercheurs aux États-Unis a quantifié la probabilité de combinaisons de sujets en étudiant les listes de citations et les corrélations croisées avec la probabilité que l’article devienne un « hit » (soit, dans leur classement, qu’il fasse partie des 5 % d’articles les plus cités14). Ils se sont aperçus que le fait de citer des combinaisons improbables dans les listes de références a une corrélation positive avec l’impact ultérieur d’un article. Ils ont également souligné que la portion d’articles présentant ces combinaisons « non conventionnelles » a baissé, de 3,54 % dans les années 1980 à 2,67 % dans les années 1990, « ce qui indique une tendance persistante et dominante à un conventionnalisme marqué ».

PLUS DE COLLABORATIONS : L’augmentation du nombre total d’articles publiés est surtout le reflet de l’augmentation du nombre d’auteurs. Mais curieusement, le nombre d’articles par auteur individuel a considérablement augmenté ces dernières années, d’environ 0,8 par auteur et par an au début des années 1990 à plus du double en 201015. Cela s’explique par le fait que les physiciens sont plus que jamais coauteurs. Le nombre moyen d’auteurs par article est passé de 2,5 au début des années 1980 à plus du double aujourd’hui. Dans le même temps, la part des articles à un seul auteur a décliné, de plus de 30 % à environ 11 %16.

MOINS DE TEMPS : Le monde universitaire ne connaît toujours pas la répartition du travail. Si les scientifiques se spécialisent sur des sujets de recherche, on attend d’eux qu’ils soient polyvalents en termes de tâches : il faut qu’ils enseignent, guident, dirigent des laboratoires et des groupes, fassent partie d’innombrables commissions, interviennent lors de conférences, qu’ils en organisent et ‒ surtout ‒ qu’ils décrochent des bourses pour faire tourner la machine. Et tout cela tout en effectuant des recherches et en produisant des articles. Une enquête réalisée par Nature en 2016 a conclu qu’en moyenne les chercheurs universitaires ne consacraient qu’environ 40 % de leur temps à la recherche17.

La course à l’argent est particulièrement chronophage. Une étude de 2007 a révélé qu’aux États-Unis et en Europe les universitaires passaient également 40 % de leur temps de travail à faire des demandes de financement18. En recherche fondamentale, ce processus est d’autant plus éprouvant qu’il faut aujourd’hui souvent prédire l’impact futur des recherches. En physique, il est généralement plus difficile de prédire ce qu’il va advenir de travaux de recherches que d’effectuer lesdits travaux.

Quiconque a cherché à obtenir un financement ne sera pas surpris de savoir que des entretiens avec des chercheurs en Grande-Bretagne et en Australie ont révélé que les mensonges et les exagérations sont désormais monnaie courante dans les propositions. Les participants à cette étude ont dépeint leurs déclarations sur l’impact éventuel de leurs recherches comme étant « chimériques » ou « complètement inventées19 ».

MOINS DE FINANCEMENT À LONG TERME : Le nombre d’universitaires qui occupent des postes fixes est en déclin, un pourcentage croissant de chercheurs n’étant pas titulaires, ou ayant des contrats à temps partiel20. De 1974 à 2014, la part des postes de chercheurs titulaires à plein temps a chuté de 29 % à 21,5 %. Dans le même temps, la part des postes à temps partiel est passée de 24 % à plus de 40 %. Des enquêtes réalisées par l’Association américaine des professeurs d’université révèlent que le manque de soutien constant décourage les engagements à long terme et la prise de risque quand un chercheur doit choisir un sujet d’étude21.

La situation est la même en Allemagne. En 2005, 50 % des chercheurs à plein temps travaillaient avec des contrats à durée déterminée. En 2015, ce chiffre est passé à 58 %22.

MOINS D’HÉTÉROGÉNÉITÉ : De nos jours, les chercheurs universitaires doivent constamment faire la preuve de leur valeur en produisant des résultats mesurables. Ce qui n’a pas grand sens, car dans certains domaines de recherche, il faut parfois des siècles avant que les bénéfices ne deviennent apparents. Mais puisqu’il faut bien mesurer quelque chose, les chercheurs sont évalués en fonction de leur impact sur leur domaine de recherche. Les mesures utilisées actuellement pour juger du succès scientifique dépendent donc considérablement du nombre de publications et du taux de citation, ce qui revient essentiellement à mesurer la productivité et la popularité. Les études suggèrent que cette nécessité de plaire et de publier décourage l’innovation : il est plus facile d’être reconnu et de publier des articles sur des sujets déjà familiers que de s’attaquer à des idées nouvelles et inhabituelles23.

Autre conséquence de la volonté de mesurer l’impact de la recherche, cette attitude oblitère les différences nationales, régionales et institutionnelles, car les moyens de mesurer le succès scientifique sont en gros les mêmes partout. Ce qui veut dire que les chercheurs universitaires du monde entier marchent tous désormais d’un même pas.

En résumé, il y a donc plus de gens, mieux interconnectés que jamais, soumis à des pressions croissantes qui les obligent à produire dans des sous-domaines spécialisés avec moins de sécurité financière et sur des périodes plus courtes. Ce qui a fait de la communauté scientifique le terreau idéal pour les phénomènes sociaux.

Et donc, voici ma propre petite théorie de quelque chose : les scientifiques sont humains. L’homme subit l’influence de la communauté à laquelle il appartient. Par conséquent, les scientifiques sont influencés par les communautés dont ils sont membres. Bon, c’est sûr, ce n’est pas avec ça que je vais décrocher un prix Nobel. Mais ça m’amène à me demander si les lois de la nature ne seraient pas belles simplement parce que les physiciens passent leur temps à se dire les uns aux autres qu’elles le sont.

Pour vous proposer un autre point de vue, ma mère aime à répéter que « la symétrie, c’est l’art des imbéciles ». Donc, et si je vous disais qu’une théorie fondamentale vraiment belle devrait être extrêmement chaotique, et non symétrique ? Ça ne vous paraît pas convaincant ? Ça va pourtant le devenir de plus en plus à chaque fois que vous l’entendrez : les recherches montrent que plus on entend une affirmation, plus il y a de chance qu’on la considère comme vraie. C’est ce que l’on appelle un « biais cognitif », ou « effet de simple exposition », et ce qu’il y a d’intéressant (ou de déprimant, c’est selon), c’est que c’est le cas même si la déclaration est répétée par la même personne24. Le chaos, je vous le dis, est beaucoup plus beau que la rigidité des symétries. Alors, ça commence à vous plaire ?

Mais aujourd’hui, les physiciens ne s’interrogent pas sur l’influence qu’a sur leurs opinions le fait de partager des convictions. Pire encore, parfois, ils vont invoquer la popularité plutôt que des arguments scientifiques pour étayer leurs convictions, comme Giudice, qui évoquait le « mouvement collectif » qui sous-tend la tendance en faveur du naturel. Ou Leonard Susskind qui, dans un entretien accordé en 2015, a affirmé que « presque tous les physiciens théoriciens des hautes énergies sont aujourd’hui convaincus qu’il nous faut des dimensions supplémentaires pour expliquer la complexité des particules élémentaires25 ». Ou le théoricien des cordes Michael Duff, qui a expliqué : « Soyez certains que, si quelqu’un trouvait une autre piste plus prometteuse [que la théorie des cordes], les 1 500 [théoriciens des cordes] lui emboîteraient tous le pas. » Non seulement ces scientifiques pensent que si beaucoup de gens travaillent sur une idée c’est qu’elle en vaut la peine, mais ils estiment même que c’est un argument suffisamment valide pour être cité publiquement.

La supersymétrie en particulier a beaucoup profité de son écho auprès de la communauté. Comme le soulignent Joseph Lykken et Maria Spiropulu, qui estiment qu’il « n’est pas exagéré de dire que la plupart des physiciens des particules du monde entier pensent que la supersymétrie doit être vraie26 ». Ou Dan Hooper : « La quantité de temps et d’argent consacrée à la poursuite de la supersymétrie est époustouflante. Il est difficile de trouver un physicien des particules qui n’a pas travaillé sur cette théorie à un moment donné de sa carrière. […] Dans le monde entier, des milliers de scientifiques imaginent un univers magnifiquement supersymétrique. »

Les autres solutions

Mais tout le monde n’est pas fan de la supersymétrie.

Une autre solution a attiré l’attention de ceux qui sont plus tournés vers les mathématiques, celle proposée par Alain Connes, lauréat de la médaille Fields, qui considère que la supersymétrie « est un beau rêve, mais il est trop tôt pour croire que c’est la vérité27 ». Connes a sa propre théorie unifiée, mais elle n’a pas séduit, même si elle a quelques partisans. Du moins sous sa forme actuelle, l’idée de Connes est loin d’être esthétique, culminant par une représentation matricielle de dimension de 384 × 384 dont Connes lui-même dit qu’elle est « intimidante et pas très transparente ». Les mathématiques qu’il utilise, très éloignées de ce que l’on enseigne actuellement aux étudiants en physique, n’aident en rien.

Dans les grandes lignes, l’idée de Connes est la suivante. En théorie quantique ordinaire, tout ne se présente pas sous forme de morceaux distincts. Les lignes que l’on voit dans le spectre atomique ‒ première preuve historique de la quantification ‒ sont distinctes, mais ce n’est pas le cas, par exemple, de la position d’une particule. Elle peut prendre n’importe quelle valeur. Connes a attribué un comportement quantique aux positions, mais il l’a fait indirectement, par la façon qu’a l’espace-temps de pouvoir vibrer. Non seulement cela contourne certains des problèmes habituels de la quantification de la gravité, mais, étonnamment, il a aussi découvert que cela lui permettait d’inclure les interactions de jauge du modèle standard.

L’approche de Connes fonctionne parce que les modes vibratoires de n’importe quel type contiennent des données sur cette forme, et la courbure de l’espace-temps de la relativité générale ne fait pas exception. Si les vibrations sont converties en ondes sonores, par exemple, nous pouvons « entendre la forme d’un tambour » ‒ sinon à l’oreille, du moins en analysant mathématiquement le son28. Nous n’avons pas besoin d’entendre les vibrations de l’espace-temps pour qu’elles soient utiles. En fait, elles n’ont même pas besoin de se produire. Ce qui compte, c’est qu’elles représentent une autre façon de décrire l’espace-temps.

L’avantage de cette description alternative, dite « géométrie spectrale », c’est qu’elle peut être rendue compatible avec la théorie quantique des champs et généralisée à d’autres espaces mathématiques ‒ dont certains contiennent les groupes de symétrie du modèle standard. C’est ce qu’a fait Connes. Il a développé un espace approprié et a réussi à retrouver le modèle standard et la relativité générale dans les cas où nous les avons testés.

En 2006, Connes et ses collaborateurs ont prédit que la masse du boson de Higgs serait de 170 GeV, très loin de la mesure de 125 GeV qui serait effectuée en 201229. Mais même avant cette mesure, le chiffre de 170 GeV avait été exclu par des résultats obtenus en 2008. Quand il l’a appris, Connes a eu ce commentaire : « Ma première réaction est bien sûr un profond découragement, mêlé d’une curiosité accrue pour la nouvelle physique que l’on va découvrir dans le LHC30. » Mais quelques années plus tard, il a révisé le modèle, et il affirme aujourd’hui que sa prédiction précédente n’est plus valide31. D’une façon ou d’une autre, cette approche ne séduit plus aujourd’hui.

On trouve aussi quelques dissidents qui s’accrochent à l’idée du « technicolor », conformément à laquelle les particules que l’on considère actuellement comme élémentaires ont une substructure composée de préons, qui interagissent par le biais d’une force comparable à l’interaction forte. Cette idée a été contredite par les résultats il y a des décennies, mais certaines variantes ont survécu. Le technicolor n’est cependant pas particulièrement en vogue de nos jours.

Puisqu’il est possible de combiner des fermions pour faire des bosons, alors que ça ne fonctionne pas dans l’autre sens, d’aucuns tentent, de temps à autre, de prouver que la matière est entièrement composée de fermions, comme la gravité spinorielle ou les systèmes fermioniques causaux32.

Et il y a Garrett Lisi.

Loin du continent

Nous sommes en janvier, à Maui, et j’attends que quelqu’un vienne me chercher à l’aéroport. Autour de moi, des vacanciers en chemises bariolées s’engouffrent dans les minibus des hôtels. Je suis censée me rendre à l’Institut des sciences du Pacifique, à l’invitation de Garrett Lisi, le surfeur qui a une théorie de tout. Mais je n’ai pas d’adresse, et la batterie de mon portable est de nouveau à plat. Dans l’air humide d’Hawaï, mes cheveux se mettent à boucler.

Au bout de trente minutes ‒ j’en suis à me dire que je vais ôter mon manteau d’hiver ‒, une décapotable se range le long du trottoir. Garrett en sort et la contourne en boitant, un gros bandage autour de son genou gauche. « Bienvenue à Maui », déclare-t-il en me passant un lei, un collier de fleurs, autour du cou. Puis il fourre mon sac dans le coffre.

Sur la route qui mène à l’institut, il m’explique que son bandage dissimule 28 agrafes qui maintiennent ensemble ce qui reste de son genou. Un accident de parapente ‒ une histoire de vent qui soufflait dans un sens au lieu de l’autre et qui l’a envoyé s’écraser sur de la roche volcanique. Mais le mieux, ajoute-t-il, c’est que tout a été filmé, puisqu’il participait au tournage d’un documentaire.

En fait d’institut, c’est une modeste bâtisse à flanc de colline, avec un lanai qui fait face à un grand jardin. Il y a un tableau blanc dans le salon et un dragon rouge lumineux dans la cuisine. Le hall d’entrée est décoré des photos des visiteurs précédents. Le soleil s’est couché, et Crystal, la petite amie de Garrett, me tend une lampe torche, afin que je puisse trouver mon chemin jusqu’aux petits chalets en bois destinés aux invités, situés derrière la maison. Elle me met en garde contre les scolopendres.

Le lendemain matin, je suis réveillée par un coq, et je me connecte au wi-fi. Après une semaine passée à voyager, ma boîte mail déborde de messages urgents. Deux éditeurs mécontents qui attendent des articles en retard, un journaliste qui me réclame un commentaire, un étudiant qui me demande un conseil. Un formulaire à signer, une rencontre à reporter, deux appels téléphoniques à passer, une invitation à une conférence qu’il me faut poliment décliner. Un collaborateur m’a renvoyé le projet d’une demande de bourse pour que je le relise.

Je me rappelle que quand je lisais les biographies des héros du siècle passé, je m’imaginais les physiciens théoriciens comme des gens qui fumaient la pipe dans des fauteuils en cuir tout en accouchant de grandes idées. Moi, je grimpe dans un hamac, et j’y reste suspendue jusqu’à ce que le surfeur vienne me chercher.

*

Garrett s’installe sur le patio, prenant garde à sa jambe blessée. Il se plaint de ne pas avoir pu surfer depuis une semaine et me présente ses excuses parce qu’il n’est pas en mesure de m’emmener à la plage. Je le rassure. Pas de problème, ce n’est pas pour la plage que je suis là.

« Vous vous souvenez de notre conversation sur l’univers mathématique de Tegmark, quand il a affirmé que l’univers était fait de maths ? À l’époque, vous aviez dit que oui, l’univers est fait de maths, mais seulement les maths les plus jolies.

‒ Oui, c’est ce que je pense, me dit Garrett. Mais il reste une question, quelles mathématiques ?

‒ C’est pour ça que je pense que l’idée de Tegmark ne sert à rien, lâché-je. On passe juste de la question : “Quelles mathématiques ?” à : “Où sommes-nous dans l’univers mathématique ?” Alors que d’un point de vue purement pratique, c’est la même question.

‒ Tout à fait, admet Garrett. C’est intéressant d’en parler, mais si on ne peut pas le tester, ce n’est pas de la science.

‒ On pourrait le tester si on trouvait quelque chose qui ne peut pas être décrit par les mathématiques, suggéré-je.

‒ Ah ; Eh bien ça, c’est impossible.

‒ C’est sûr, approuvé-je, parce que si nous ne parvenons pas à décrire quelque chose, nous ne saurons pas que c’est parce que les maths en sont incapables, plutôt que nous, tout simplement. Donc, pourquoi êtes-vous convaincu que les mathématiques ne peuvent pas tout décrire ?

‒ Toutes nos théories réussies sont mathématiques, déclare-t-il.

‒ Celles qui ont échoué aussi », rétorqué-je.

Sans se laisser troubler, Garrett me raconte son histoire : « Je n’ai pas démarré dans la physique en me lançant dans une quête fanatique pour trouver quelque chose de joli à même de décrire la physique. J’ai commencé par la question : “Qu’est-ce qu’un électron ?” J’aimais vraiment beaucoup la relativité générale. Puis j’en suis arrivé à la théorie quantique des champs, et là, vous avez cette affreuse description des électrons. »

Garrett était à la recherche d’une description des fermions qui soit aussi géométrique que l’est la gravité. Dans la relativité générale, ce que l’on appelle la force gravitationnelle est une conséquence de la courbure de l’espace-temps autour des masses. La géométrie quadridimensionnelle de l’espace-temps ne peut être pleinement rendue que par les mathématiques abstraites. Mais la similitude conceptuelle avec des couches de caoutchouc lui confère quelque chose de tangible. De familier, presque tactile. Et, ce qui est fascinant, quelques-unes des particules élémentaires ‒ les bosons de jauge ‒ peuvent être décrits d’une façon également géométrique (même s’il faut encore trouver un moyen de se débrouiller avec ces bizarres espaces internes). Or, cette approche géométrique ne fonctionne pas avec les fermions.

« Quand j’étais étudiant, c’était quelque chose qui me perturbait vraiment, m’avoue-t-il.

‒ Pourquoi ça vous perturbait ?

‒ Parce que je me disais que l’univers devait pouvoir être décrit par une seule chose.

‒ Pourquoi ?

‒ Parce qu’on a le sentiment que l’univers doit être un seul objet cohérent, m’explique-t-il.

‒ Le fait de dire que vous n’aimez pas comment sont décrits les électrons, ce n’est pas une incohérence, dis-je.

‒ Certes. Mais je n’aimais vraiment pas ça. »

De son point de vue, notre description actuelle des fermions « n’[est] pas naturellement géométrique », tout en soulignant qu’il n’utilise pas le mot « naturel » comme le font les physiciens des particules.

« Donc, les fermions ne sont pas naturellement géométriques, comme le sont la gravité et les [bosons de jauge]. Et ça me gênait, beaucoup. Mais ça ne dérangeait personne d’autre.

‒ Et la supersymétrie ?

‒ Je me suis intéressé à la supersymétrie. Mais la façon que l’on a de la décrire d’habitude est très maladroite. Elle n’est pas naturelle, au sens mathématique du terme. Et puis, une fois qu’on a ce formalisme pour décrire les bosons et les fermions, ça exige qu’il y ait un partenaire supersymétrique pour chaque particule. Sauf qu’on ne les a pas vus. Et qu’on continue à ne pas les voir, poursuit-il, manifestement ravi.

» Donc, je n’étais pas un fan de SUSY. Je voulais trouver une description naturelle des fermions. C’est ça que je me suis mis à chercher après mon doctorat. C’est pour ça que je suis venu à Maui.

» Au début, j’ai travaillé sur la vieille théorie de Kaluza-Klein, me dit Garrett, et je l’ai trouvée belle. […] Mais pas moyen que ça fonctionne avec les fermions33. »

Jusque-là, l’histoire de Garrett ressemble beaucoup à la mienne. Moi aussi, j’ai commencé par travailler sur la vieille théorie de Kaluza-Klein, intriguée par son attrait, mais insatisfaite du traitement qu’elle réserve aux fermions. Toutefois, contrairement à Garrett, ma bourse de doctorat me permettait de payer mon loyer, et j’étais mue par des aspirations dignes de la famille de la classe moyenne européenne dont j’étais issue : un bon boulot, une jolie maison, un ou deux enfants, une retraite confortable, et une urne funéraire de bon goût. Tout en quantifiant la gravité en cours de route, peut-être. Mais m’installer sur une île ne faisait pas partie de mes projets.

Quand, au bout de deux ans, mon enthousiasme pour Kaluza-Klein a commencé à s’effriter, mon directeur m’a vigoureusement suggéré de changer de sujet et de m’atteler plutôt aux grandes dimensions supplémentaires ‒ autrement dit, la version de Kaluza-Klein revisitée par Arkani-Hamed et ses collaborateurs, qui était sur le point d’éclore. Je me suis dit qu’il avait raison, et c’est là que je me suis engagée sur une autre voie que Garrett. J’ai rejoint la communauté de la physique des particules, je me suis financée à coups de bourses et de contrats à durée déterminée, et j’ai régulièrement et consciencieusement produit des articles sur des sujets raisonnablement opportuns. Garrett, lui, a choisi un sentier moins battu.

« Au bout de six ans, j’ai carrément laissé tomber ce truc de Kaluza-Klein, raconte-t-il. Si j’ai pu le faire, c’est parce que j’échappais à l’inertie universitaire, parce que je travaillais seul, ici, à Maui, et que je n’avais pas d’étudiants ni de bourses. »

Garrett est reparti de zéro et a reconsidéré le problème sous un autre angle. Après des années de dur labeur, il a été récompensé par une percée. Toutes les particules connues, s’est-il aperçu ‒ y compris les fermions et les bosons ‒, pouvaient être décrites géométriquement à l’aide d’une grande symétrie. Et contrairement aux théories de grande unification, sa symétrie contient aussi la gravité.

*

Pour sa théorie, Garrett a recours à la symétrie du plus grand groupe de Lie de type complexe, E8. Un « groupe de Lie » (du nom de Sophus Lie [1843-1899]) est un groupe particulièrement joli parce qu’on peut également y faire de la géométrie, tout à fait comme dans l’espace familier que l’on voit autour de nous. C’était ce que recherchait Garrett.

Il y a un nombre infini de groupes de Lie. Mais à la fin du XIXe siècle, ils avaient tous été classifiés par Wilhelm Killing (1847-1923) et Élie Cartan (1869-1951). Il s’avère que la plupart des groupes de Lie se répartissent en quatre familles, chacune ayant un nombre infini de membres. Les groupes de symétrie SU(2) et SU(3) du modèle standard, par exemple, sont des groupes de Lie, et comme leur nom l’indique, ils sont de structure très semblable. En fait, il y a un groupe de Lie simple SU(N) pour tout N qui est un nombre entier positif. Il y a trois autres familles similaires et infinies de groupes de Lie, mais nous n’avons pas à nous soucier ici de leur terminologie précise. Ce qui compte, en revanche, c’est qu’outre ces quatre familles on trouve cinq groupes de Lie de type « exceptionnel », baptisés G2, F4, E6, E7 et le plus grand, E8. Et il est possible de démontrer que ce sont là tous les groupes de Lie simples qui existent, point final.

Pour comprendre à quel point c’est bizarre, imaginez que vous veniez sur un site Internet où vous pouvez acheter des écriteaux avec des numéros : 1, 2, 3, 4, et ainsi de suite, jusqu’à l’infini. Mais sur le même site, vous pouvez également commander un émeu, une bouteille vide et la tour Eiffel. Ça vous donne une idée du caractère vraiment étrange des groupes de Lie de type exceptionnel par rapport aux familles infinies bien ordonnées.

*

« Je l’ai couché par écrit, j’ai publié un article, et ça a fait un sacré bruit », dit Garrett en se souvenant du battage médiatique suscité par sa publication34.

À l’époque, reconnaît-il, sa théorie présentait encore quelques défauts. Par exemple, les trois générations de fermions n’y trouvaient pas tout à fait leur place. Mais c’était en 2007. Dans les années qui ont suivi, Garrett a résolu certaines des énigmes restantes. Mais son chef-d’œuvre est inachevé, il ne le satisfait pas encore pleinement.

« Mais maintenant, j’ai effectivement une description naturelle pour les fermions, proclame-t-il. Donc, en un sens, j’ai accompli ce que je voulais faire après mes études. Et je suis tombé sur ce grand groupe de Lie E8 auquel je ne m’attendais pas. Je ne m’étais pas mis en quête d’une jolie théorie de tout ‒ ç’aurait été bien trop ambitieux, même pour moi.

‒ Eh bien, c’est un grand groupe, dis-je. Est-il surprenant que vous puissiez intégrer un tas de trucs dans ce groupe ? Trop de trucs, même ‒ d’après ce que je comprends, vous avez aussi des particules supplémentaires ?

‒ Oui, environ une vingtaine, admet-il, puis il se hâte d’ajouter : Ce qui n’est pas autant qu’avec SUSY.

‒ Je suppose qu’elles sont si massives, vos particules additionnelles, qu’on ne peut pas les observer ?

‒ Oui, l’excuse classique des théoriciens. [Mais] l’action** est d’une beauté unique. Elle ressemble à l’action pour une surface minimale. Sous bien des aspects, c’est l’action la plus simple possible. Il est difficile d’imaginer que la nature pourrait souhaiter y changer quelque chose.

‒ Comment savez-vous ce que veut la nature ?

‒ Ah, mais c’est le but du jeu. Si vous voulez trouver une théorie de tout, votre sens esthétique est plus ou moins votre seul outil.

‒ Qu’est-ce qui la rend belle ? Vous avez déjà dit que vous aviez ce naturel géométrique.

‒ Oui, c’est naturel parce que tout peut être décrit avec [la géométrie]. Et on utilise le plus grand groupe de Lie de type exceptionnel. D’une grande richesse, et pourtant simple. Et il y a ces extensions en profondeur dans les mathématiques, dans des directions différentes… c’est vraiment chouette.

‒ On dirait un théoricien des cordes.

‒ Je sais ; Je sais qu’on dirait un théoricien des cordes ; Je partage une grande partie de leurs motivations et de leurs désirs. Si j’étais monté en puissance pendant trente ans en même temps que des milliers d’autres personnes, à travailler sur la théorie d’E8, et qu’elle avait échoué, je serais exactement dans la situation qui est la leur aujourd’hui. »

Quand l’intérêt des médias a commencé à se dissiper, Garrett Lisi et sa théorie d’E8 ont été rapidement oubliés. Dans la communauté des physiciens, bien peu ont manifesté un quelconque intérêt.

« Ça n’a pas vraiment attiré l’attention, hein ? lui demandé-je.

‒ Non, pas après avoir fait du bruit aux infos.

‒ Est-ce que toute cette hystérie a eu un effet positif ?

‒ Mon père ne me demande plus quand je vais me décider à trouver un boulot, plaisante Garrett. Parce que j’avais réussi à l’école, obtenu mon doctorat, et ensuite… Je suis venu à Maui pour faire du surf, et mes parents étaient là à dire : “Il s’est passé quoi ?” Mais je suis heureux.

« Quand je travaille sur la physique, continue-t-il, il faut que je me réfugie dans cet endroit où je ne pense à rien d’autre, qu’à ce que j’ai sous les yeux ‒ les mathématiques et les structures. Quand je fais ça, je ne peux penser à aucun autre problème de ma vie. En un sens, je m’évade. »

Pour un passionné de surf, il est étonnamment intellectuel. Pas étonnant qu’Internet l’adore.

« Vous avez parlé avec Frank [Wilczek] de notre pari ? », me demande-t-il.

Je l’avais complètement oublié. En juillet 2009, Garrett a parié 1 000 dollars avec Frank qu’aucune particule supersymétrique ne serait trouvée dans les six années suivantes.

« Et là, le LHC a eu des hoquets avec les aimants et tout ça, raconte Garrett. Donc, le pari arrivait à échéance en juillet dernier [2015], mais ça n’était pas vraiment dans l’esprit du pari, parce que toutes les données n’avaient pas encore été collectées, donc, on a accepté de prolonger le pari d’un an. » Il ne reste plus que six mois.

« Oui, on a dit que le LHC allait trouver la supersymétrie, précisé-je. Gordy Kane est toujours persuadé que des gluinos doivent apparaître dans la seconde injection.

‒ Purée, lâche Garrett. Le plus scandaleux, c’est quand il a affirmé avoir prédit la masse du boson de Higgs, alors qu’il y avait déjà des rumeurs partout. Et deux jours avant l’annonce officielle, il sort son article, là. Et ensuite, l’annonce confirme les rumeurs, et lui, il dit que c’est une prédiction de la théorie des cordes ; »

Garrett ne fait pas partie de la communauté universitaire, et ça se voit. Il ne se soucie pas des bourses, ou des perspectives de ses étudiants, ou de savoir si ses pairs aimeront ses articles. Il se contente de travailler et de dire ce qu’il a sur le cœur. Ce qui ne plaît pas à tout le monde.

En 2010, il a écrit un article pour le Scientific American sur sa théorie d’E835. Il en parle comme d’une « expérience intéressante », et se souvient : « Quand on a appris que l’article allait paraître, Jacques Distler, un théoricien des cordes, a rassemblé un groupe de gens qui ont déclaré qu’ils boycotteraient le SciAm s’il publiait mon article. Les éditeurs ont pris la menace en compte et leur ont demandé de souligner ce qui était incorrect dans l’article. Il n’y avait absolument rien d’incorrect. J’ai passé beaucoup de temps dessus ‒ il n’y avait absolument rien d’incorrect dedans. Pourtant, ils n’ont pas retiré leur menace. Au bout du compte, le Scientific American a quand même décidé de publier mon article. Pour ce que j’en sais, il n’y a eu aucune répercussion.

‒ Je suis choquée, dis-je, et je le pense.

‒ Les théoriciens des cordes sont dans une position difficile, commente Garrett, parce que ça fait trente ans qu’ils promettent une théorie de tout, mais ça n’a jamais marché. Ils croyaient qu’il leur suffirait d’inventer cet [espace à dimensions supplémentaires] magique et de récupérer toutes les particules juste avant la pause déjeuner. Maintenant, ils ont tout le paysage ‒ c’est un échec total. »

Et pourtant, la dépendance de Garrett vis-à-vis des mathématiques est si semblable à celle de la théorie des cordes.

« Pourquoi êtes-vous si sûrs qu’il y a une théorie de tout ?

‒ Ce qu’on a actuellement avec le modèle standard, c’est le bazar, déclare-t-il. On a les [matrices de mélange], et les masses ‒ on a tous ces paramètres. Je suis d’avis que tous ces paramètres pseudo-aléatoires ont une explication sous-jacente qui va aboutir à une théorie sous-jacente unifiée.

‒ Qu’est-ce qui ne va pas avec les paramètres aléatoires ? Pourquoi faudrait-il que les choses soient simples ?

‒ Eh bien, plus on est descendu dans les échelles de distance, plus les choses sont devenues simples, soutient Garrett. Ça commence avec la chimie et les substances, elles ont toutes ces propriétés éparpillées. Mais les éléments sous-jacents sont assez simples. Et si on observe à des distances plus courtes, à l’intérieur de l’atome, ça devient encore plus simple. Et là, on a le modèle standard, qui a l’air d’être une série complète de particules et de bosons de jauge. Et avec ce que j’ai fait, je crois que je tiens une bonne description géométrique des fermions. Tout ça, ça a l’air d’être une seule et même chose. Pour moi, tout ce qu’on fait, c’est extrapoler à partir du chemin que trace la science. Quand on les observe à des échelles plus réduites, les choses ont l’air plus simples.

‒ C’est parce que vous avez cité la chimie pour commencer, ce qui est pratique, le contré-je. Si on démarre à une échelle plus vaste, disons, celle des galaxies, et qu’on redescend, ça ne va pas en se simplifiant ‒ ça commence par être plus compliqué, comme avec la vie qui grouille sur des planètes et tout ça. C’est une fois franchi le niveau de la biochimie que ça recommence à devenir plus simple.

‒ Ah, ça ne peut pas être comme ça, s’entête Garrett. On sait que les particules élémentaires ne peuvent pas être comme des planètes. On sait qu’elles sont exactement identiques.

‒ “Exactement”, ça n’existe pas ‒ la précision est toujours limitée, lui fais-je remarquer. Mais je ne dis pas que les particules élémentaires sont comme des planètes. Juste que, quelle que soit la théorie à des distances courtes, elle ne sera peut-être pas plus simple que ce que nous avons déjà. La simplicité n’augmente pas forcément toujours en même temps que la résolution.

‒ Oui. Ça risque d’être le foutoir, concède-t-il. Ou alors, il y a un cadre sous-jacent auquel nous n’aurons jamais accès au niveau expérimental, et tout ce qu’on peut voir, c’est le bazar qu’il y a au-dessus. Xiao-Gang Wen, par exemple, il aime bien dire que les lois de la nature sont fondamentalement laides. Personnellement, cette une idée que je trouve répugnante. Je pense qu’il y a une description simple, unifiée, qui expliquera tous les phénomènes. »

FIGURE 13. Diagramme d’E8, qui dépeint la théorie de tout de Garrett Lisi. Chaque symbole est une particule élémentaire. Les symboles différents correspondent à des types de particules différents. Les lignes montrent quelles particules sont liées à la trialité. Non, moi non plus, je ne sais pas ce que c’est, mais c’est joli, non ?

Image fournie par Garrett Lisi

Je me promets intérieurement de contacter Xiao-Gang. À ce moment-là, un type en short et chemise hawaïenne fait irruption sur le lanai.

« Voici Rob, dit Garrett en nous présentant. Il est là pour lancer le barbecue. »

Aujourd’hui, Garrett fête son anniversaire, et il a invité des amis pour faire griller des animaux morts.

« Je croyais que c’était ce soir, le barbecue, m’étonné-je.

‒ Sa spécialité, ce sont les travers à cuisson lente, m’explique Garrett. Mais vous êtes végétarienne, ça ne vous plaira pas.

‒ Alors, ça va sentir les grillades pendant toute la journée ?

‒ Oui, me répond-il, agitant la main comme pour me faire partir. Je suis en train d’essayer de vous chasser vers la plage. »

*

Je finis par aller à la plage. Des tortues de mer me surveillent depuis les vagues. L’eau est claire, le sable blanc, ses gros grains ont une forme étrange. Crystal, la petite amie de Garrett, me dit qu’ils sont faits par un petit poisson, le poisson-perroquet, qui grignote les coraux et qui, quand il a digéré, rend le reste à l’océan. En hawaïen, le poisson s’appelle uhu palukaluka, ce que l’on pourrait plus ou moins traduire par « diarrhée ». Un poisson-perroquet adulte produit plus de 400 kilos de sable par an, ce qui se transforme en tonnes pour toute la population de poissons.

Je me badigeonne d’écran solaire et enfonce mes orteils dans le sable. Il y a sans doute là une leçon à méditer : il suffit d’en entasser assez pour que même la merde paraisse belle.

EN BREF

* Les physiciens théoriciens aiment l’idée d’une théorie de grande unification qui fusionne les trois interactions du modèle standard en une seule. Plusieurs tentatives de grande unification sont entrées en conflit avec les données expérimentales, mais l’idée n’a rien perdu de sa popularité.

* Beaucoup de physiciens théoriciens estiment que l’expérience justifie que l’on fasse appel à la beauté. Mais l’expérience ne nous aidera pas à trouver de nouvelles lois de la nature si la beauté de ces dernières ne nous est pas familière.

* La science a considérablement changé au cours des dernières décennies, mais les communautés scientifiques ne se sont pas adaptées à ce changement.

* Tel qu’il est organisé aujourd’hui, le monde universitaire encourage les scientifiques à se joindre à des programmes de recherche déjà dominants et décourage quiconque aurait un regard critique sur son propre domaine.

* Le soutien d’une communauté qui partage leurs idées influence la façon qu’ont les scientifiques d’évaluer l’application et les perspectives des théories sur lesquelles ils décident de travailler.

* En anglais, gut peut se traduire entre autres par « tripes », « boyaux » (NdT).

** L’« action », c’est ce truc mathématique que les physiciens des particules utilisent pour définir une théorie (NdA).

Chapitre 8

L’espace, ultime frontière

Où je tente de comprendre un théoricien des cordes et y arrive presque.

Juste un humble physicien

On est en janvier, à Santa Barbara. J’avais eu l’intention de m’entretenir avec Joseph Polchinski lors du séminaire de décembre à Munich, mais il avait annulé son voyage à la dernière minute. Au moment où j’arrive à Santa Barbara, Joe, qui occupe un poste sur le campus local de l’Université de Californie, est en arrêt pour raison de santé.

Dans le cadre de mes études postdoctorales, j’ai passé un an à Santa Barbara, mais l’adresse que m’a donnée Joe est dans un quartier de la ville que je ne connais pas. Là-bas, les propriétés sont vastes, les buissons soigneusement taillés, les voitures rutilantes, l’herbe bien verte. J’emprunte les routes qui sinuent entre les collines, loin des logements abordables pour étudiants. Enfin, je trouve sa maison, au bout d’une impasse, et je me gare devant le garage. C’est un début d’après-midi ensoleillé. Un jardinier passe dans ce qui ressemble à une voiturette de golf. Les palmiers oscillent doucement dans le vent.

J’hésite avant d’appuyer sur la sonnette. Ce n’est pas mon genre de traquer des malades jusque chez eux. Mais Joe s’est montré enthousiaste à l’idée de me rencontrer, il m’a dit que le thème de la conférence de Munich ‒ « Peut-on avoir confiance dans une théorie ? » ‒ l’obsédait véritablement. Il a passé une grande partie de sa vie à étudier les mathématiques de la théorie des cordes. Je suis ici pour découvrir pourquoi il faut faire confiance aux maths.

*

Une brève histoire de la théorie des cordes ressemblerait à peu près à ça : à l’origine, elle a été développée en tant que candidat pour décrire l’interaction forte, mais les physiciens ont rapidement compris qu’une théorie différente, la chromodynamique quantique, était plus adaptée à cette tâche. Toutefois, ils ont remarqué que les cordes échangeaient une force qui ressemblait exactement à la gravité, et les cordes ont donc été repensées en tant que candidat à la théorie de tout. Toutes les particules seraient constituées de cordes dans des configurations différentes, mais leur substructure est si minuscule qu’on ne peut la voir aux niveaux d’énergie qui nous sont actuellement accessibles.

Pour des questions de cohérence, les théoriciens des cordes ont dû postuler que les cordes existent dans un monde qui n’a pas trois dimensions spatiales, mais vingt-cinq (plus une dimension de temps1). Puisque l’on n’a pas vu ces dimensions supplémentaires, les théoriciens ont donc assumé qu’elles étaient de dimensions finies ou « compactifiées » ‒ comme une sphère (à un grand nombre de dimensions) plutôt que comme un plan infini. Et puisque la résolution à des distances courtes nécessite de hauts niveaux d’énergie, nous n’aurions pas encore observé les dimensions supplémentaires si elles sont assez réduites.

Ensuite, les théoriciens des cordes ont découvert que la supersymétrie était nécessaire pour empêcher le vide de se décomposer. Ce qui a ramené le nombre total de dimensions de vingt-cinq à neuf (plus une dimension temporelle), mais le besoin de compactification n’avait pas disparu. Aucune particule supersymétrique n’ayant été observée, les théoriciens des cordes sont partis du principe que la supersymétrie se brisait à de hauts niveaux d’énergie, si bien que les superpartenaires, s’ils existaient, n’auraient pu encore être vus.

Il n’a pas fallu longtemps avant qu’il soit souligné que la supersymétrie, même brisée à de hautes énergies, aboutirait à un désaccord avec l’expérience en permettant des interactions normalement interdites dans le modèle standard, des interactions qui n’avaient pas été vues. C’est ainsi qu’a été inventée la R-symétrie, une symétrie qui, quand on la combine à la supersymétrie, interdit tout simplement les interactions inobservées parce qu’elles seraient en contradiction avec le nouveau postulat de symétrie.

Les problèmes ne s’arrêtaient pas là. Jusqu’à la fin des années 1990, les théoriciens des cordes n’avaient eu affaire qu’à des cordes dans des espaces-temps présentant une constante cosmologique négative. Quand on a mesuré la constante cosmologique et qu’elle s’est révélée positive, les théoriciens ont dû promptement inventer un moyen d’accommoder ce résultat. Ils ont développé une construction qui fonctionne avec le nombre positif, mais la théorie des cordes reste mieux comprise avec une constante cosmologique négative2. C’est là-dessus que la plupart des théoriciens des cordes continuent à travailler. Mais cela ne décrit pas notre univers.

Rien de tout cela n’aurait eu d’importance si tous ces amendements avaient réussi à créer une théorie de tout unique. Au lieu de cela, les physiciens ont découvert que la théorie permettait une vaste quantité de configurations possibles, chacune trouvant son origine dans une possibilité de compactification différente et menant à une théorie différente dans la limite de l’énergie faible. Puisqu’il y a tant de façons de construire la théorie ‒ on les évalue aujourd’hui à 10500 ‒, le modèle standard en fait plausiblement partie. Mais personne ne l’a trouvé, et, étant donné le nombre immense de possibilités, il est fort probable qu’on ne le trouve jamais.

La plupart des théoriciens des cordes ont réagi en renonçant à l’idée que leur théorie parviendrait à déterminer de façon unique les lois de la nature, et ont alors épousé le multivers, où toutes les lois possibles de la nature sont vraies quelque part. Ils s’efforcent désormais de développer une répartition de probabilité pour le multivers conformément à laquelle notre univers serait au moins vraisemblable.

D’autres théoriciens des cordes ont définitivement abandonné les fondations de la physique et ont cherché des applications ailleurs ‒ par exemple, en utilisant les techniques théoriques des cordes pour comprendre la collision de grands noyaux atomiques (les ions lourds). Dans ces collisions (qui font également partie du programme du LHC), un plasma de quarks et de gluons peut être créé pendant un court instant. Le comportement de ce plasma est difficile à expliquer avec le modèle standard, non parce que ce dernier ne fonctionne pas, mais parce que personne ne sait comment faire les calculs. Les physiciens nucléaires ont ainsi accueilli favorablement les nouvelles méthodes de la théorie des cordes.

Malheureusement, les prédictions fondées sur la théorie des cordes pour le LHC n’ont pas trouvé de correspondance dans les données, et les théoriciens des cordes ont discrètement enterré l’idée3. Ils prétendent maintenant que leurs méthodes sont utiles pour comprendre le comportement de certains métaux « étranges », mais même le théoricien des cordes Joseph Conlon a comparé le recours à la théorie des cordes pour la description de matériaux de ce type à l’utilisation d’une carte des Alpes pour explorer l’Himalaya4.

Confrontés à des preuves contradictoires, les théoriciens des cordes n’ont cessé de s’adapter, une activité si divertissante que de nombreux départements de physique ont toujours sous la main une poignée de théoriciens des cordes parce que le public raffole d’histoires sur leurs efforts héroïques pour tout expliquer. Selon Freeman Dyson, la popularité du sujet s’explique par le fait que « la théorie des cordes est séduisante parce qu’elle crée des emplois. Et pourquoi trouve-t-on tant d’emplois dans la théorie des cordes ? Parce qu’elle ne coûte pas cher. Si vous êtes à la tête d’un département de physique dans un coin perdu et sans argent, vous ne pouvez pas vous offrir un laboratoire moderne pour faire de la physique expérimentale, mais vous pouvez embaucher une paire de théoriciens des cordes. Donc, vous proposez une paire de postes en théorie des cordes, et vous voilà avec un département de physique moderne5 ».

*

Voici ce que pourrait être une version alternative de l’histoire de la théorie des cordes : à l’origine, elle a été développée en tant que moyen de décrire l’interaction forte, mais les physiciens ont rapidement compris qu’une théorie différente, la chromodynamique quantique, était plus adaptée à cette tâche. Toutefois, ils ont remarqué que les cordes échangeaient une force qui ressemblait exactement à la gravité, et les cordes ont donc été repensées en tant que candidat à la théorie de tout.

Or, il est à noter que les cordes s’adaptent naturellement à la supersymétrie, laquelle a été découverte indépendamment comme étant l’extension la plus générale des symétries de l’espace-temps. Mais ce qui est encore plus remarquable, c’est que, si à l’origine, on a trouvé plusieurs types différents de théorie des cordes, ces théories différentes se sont révélées liées les unes aux autres par des « transformations de dualité ». De telles transformations de dualité identifient les objets décrits par une théorie aux objets décrits par une autre, montrant du même coup que les deux théories sont des descriptions alternatives de ce qui est, en réalité, la même physique. Ce qui a amené le théoricien des cordes Edward Witten à conjecturer qu’il y a un nombre infini de théories des cordes, toutes liées les unes aux autres, et englobées dans une théorie unique, plus vaste, dite « théorie M ».

Et la théorie des cordes a continué à surprendre les physiciens. Vers le milieu des années 1990, ils se sont aperçus qu’au lieu de n’être une théorie que de cordes, elle contenait également des membranes à un plus grand nombre de dimensions, ou « branes ». En s’appuyant sur cette nouvelle perspective, les théoriciens des cordes ont pu étudier les parents à hautes dimensions des trous noirs et retrouver les lois déjà connues de la thermodynamique des trous noirs. Grâce à cette correspondance inattendue, même les sceptiques ont été convaincus que la théorie des cordes devait avoir une importance en physique. Si la physique des trous noirs n’a rien livré de ses mystères, les théoriciens des cordes ne sont plus très loin de résoudre les autres problèmes.

L’intuition physique des théoriciens des cordes a également débouché sur des découvertes mathématiques, concernant en particulier les formes géométriques des dimensions additionnelles compactifiées, ce que l’on appelle les variétés de Calabi-Yau6. Les physiciens ont par exemple découvert que des paires de variétés de Calabi-Yau géométriquement très différentes sont reliées par une symétrie mineure, une perspective qui avait échappé aux mathématiciens et a depuis donné naissance à d’importantes recherches complémentaires. La théorie des cordes a aussi permis au mathématicien Richard Borcherds de démontrer la « conjecture du monstre au clair de lune », une relation entre le plus grand groupe connu de symétries ‒ le groupe Monstre ‒ et certaines fonctions7. Le lien étroit entre la théorie des cordes et les mathématiques du groupe Monstre a depuis peu poussé d’autres chercheurs à explorer l’importance potentielle du groupe Monstre pour comprendre les propriétés quantiques de l’espace-temps.

La recherche sur la théorie des cordes a par ailleurs été à l’origine de la plus grande percée dans la physique fondamentale de ces dernières décennies, la « dualité jauge/gravité ». Cette dualité aussi est une identification entre les structures de deux théories différentes qui révèle qu’en réalité, toutes deux décrivent le même phénomène. Selon la dualité jauge/gravité, certains types de théories gravitationnelles peuvent être de façon équivalente formulées comme des théories de jauge, et vice versa8. Cela signifie en particulier que les physiciens peuvent utiliser la relativité générale pour effectuer des calculs dans des théories de jauge qui étaient auparavant mathématiquement impossibles à traiter.

Les implications de cette dualité sont tout bonnement époustouflantes, puisque les théories duales ne fonctionnent pas dans le même nombre de dimensions : l’espace-temps de la théorie de jauge a une dimension spatiale de moins que celui de la théorie gravitationnelle. Ce qui veut dire que notre univers ‒ avec nous dedans ‒ peut être mathématiquement inséré dans deux dimensions spatiales. Comme un hologramme, l’univers donne seulement l’impression d’être en trois dimensions, mais on peut vraiment l’encoder sur une surface plane.

Il ne s’agit pas que d’une nouvelle vision du monde. Les théoriciens des cordes ont aussi appliqué la dualité jauge/gravité à des situations telles que le plasma quark-gluon et les supraconducteurs à haute température, et si l’on n’a pas encore obtenu de résultats quantitatifs, les résultats qualitatifs, eux, sont prometteurs.

Les deux versions de l’histoire sont vraies. Mais il est plus amusant de n’en choisir qu’une et d’ignorer l’autre.

*

Outre qu’il a écrit un des premiers manuels sur la théorie des cordes, Joe a joué un rôle capital dans le développement de la théorie, puisque c’est lui qui a démontré que, au lieu de traiter uniquement d’objets unidimensionnels, la théorie des cordes contient aussi des membranes à plus hautes dimensions. Il y a quelques jours à peine, il a publié un article où il détaille ses réflexions sur l’utilité, ou non, de critères non empiriques pour évaluer les promesses d’une théorie, la théorie en question étant celle des cordes.

Je serre la main de son épouse et de son fils. Après avoir retiré mes chaussures, je marche sur la pointe des pieds sur le tapis et m’affale sur le canapé.

« Que pensez-vous de l’idée d’évaluation non empirique des théories de Richard Dawid ? attaqué-je.

‒ Je ne comprends pas ce que ces mots veulent dire, me répond Joe. Je ne suis qu’un humble physicien qui tente de comprendre le monde. Mais je pense que ce qu’il dit est très proche de ce que je pense. Si je me demande : “Sur quoi ai-je envie de travailler, en me fondant sur toutes les preuves que j’ai accumulées dans ma vie ? Quelles sont les directions les plus prometteuses ? Quelles sont les directions qui mèneront le plus probablement au succès ?”, alors, il faut que je procède à une évaluation de ce genre. Et je crois qu’il y a des preuves positives ‒ j’en recense six sortes différentes ‒ que la théorie des cordes va dans le bon sens9.

» Certaines des choses dont Dawid parle coïncident apparemment avec ma façon de penser au problème. Dans le même temps, ces mots, “non empirique”… Je n’y pense pas. »

Il me regarde, plein d’espoir.

« Je crois que Dawid parle exactement de ce que vous avez dit, opiné-je. Et nous prenons clairement en compte d’autres faits que les données ‒ ça a sans doute toujours été le cas. Mais maintenant, le décalage entre le développement et le test d’une hypothèse est énorme, ce qui fait qu’il est de plus en plus difficile d’évaluer les théories par d’autres moyens que les données.

‒ Oui, approuve Joe. [Max] Planck l’avait compris il y a plus de cent ans, que nous sommes à 25 ordres de grandeur entre là où ils pouvaient mesurer et là où il nous faudrait probablement aller. Encore aujourd’hui, il nous reste 15 ordres de grandeur à couvrir. Nous sommes très nombreux à espérer voir quelque chose à des énergies plus faibles ‒ c’est votre sujet, la phénoménologie de la gravité quantique : la tentative de considérer toutes les façons possibles de voir des choses qui seraient accessibles à des énergies plus faibles. C’est quelque chose que nous voudrions tous. Malheureusement, tout ce que nous avons vu jusqu’à présent est négatif.

» Je pense, continue-t-il, que vous vous êtes vraiment donné du mal pour faire la distinction entre les idées qui ont l’air d’être bonnes et celles qui n’en ont pas l’air. Pour moi, vous êtes quelqu’un qui s’est vraiment donné beaucoup de mal. C’est quelque chose d’important. Mais c’est vraiment ingrat, parce que le nombre de mauvaises idées augmente plus rapidement que le nombre de bonnes idées. Et parfois, il faut beaucoup plus de temps pour comprendre pourquoi quelque chose ne va pas que pour produire quelque chose de faux. »

Jamais quelqu’un ne m’a dit aussi gentiment que j’étais une imbécile.

« Les gens qui s’intéressent à la phénoménologie, poursuit Joe, ils ont tous le même problème : il faut qu’ils réussissent à franchir les 15 ordres de grandeur restants. C’est un problème extrêmement ardu. La plupart du temps, en phénoménologie des cordes, ce n’est pas tant que vous avez une théorie, mais plutôt que vous avez une phénoménologie possible qui, un jour, pourrait faire partie de la théorie. Et ce n’est pas parce que des gens font quelque chose qui ne va pas, mais parce qu’il est très difficile de déduire une phénoménologie. Et donc, pour chaque partie du sujet, il faut que nous pensions à des échelles de temps beaucoup plus longues que nous n’en avons l’habitude.

» Et tout ça à cause de Planck. Si seulement il avait trouvé un nombre plus petit… »

*

C’est au niveau de l’énergie de Planck que nous devrions commencer à remarquer les fluctuations quantiques de l’espace-temps. Elle se situe à environ 1018 GeV, soit une énergie gigantesque par rapport à celles que l’on peut atteindre avec des collisionneurs (voir figure 14). Le gouffre énorme qui sépare les énergies aujourd’hui accessibles des énergies nécessaires à la grande unification et la gravité quantique est souvent surnommé « le désert » parce que, pour ce que l’on en sait actuellement, il est peut-être vide de tout nouveau phénomène.

Si nous voulions atteindre directement des énergies planckiennes, il nous faudrait un collisionneur de particules à peu près de la taille de la Voie lactée. Ou si nous voulions mesurer un quantum du champ gravitationnel ‒ un graviton ‒, le détecteur devrait être gros comme Jupiter, et pas situé n’importe où, mais en orbite autour d’une puissante source de gravitons, comme une étoile à neutrons. Il est clair que ce ne sont pas des expériences qui vont être financées d’ici peu. D’où le pessimisme exprimé par les physiciens quant à la perspective de tester la gravité quantique, ce qui aboutit à une impasse philosophique : est-ce de la science si l’on est à jamais incapable de le tester ?

Mais bien peu de physiciens théoriciens s’inquiètent de cette impasse, parce que celle-ci est une question non seulement d’esthétique, mais aussi de cohérence.

FIGURE 14. Échelles d’énergie. CC correspond à Constante cosmologique.

Le modèle standard et la relativité générale, combinés, amènent à des contradictions internes qui, au-dessus de l’énergie de Planck, ne peuvent décrire aucune observation. Nous savons qu’il est erroné de simplement combiner les deux théories et qu’il doit y avoir un meilleur moyen de procéder.

L’origine de cette contradiction tient au fait que la relativité générale n’est pas une théorie quantique, mais qu’elle n’en doit pas moins réagir à la matière et aux radiations, qui présentent des propriétés quantiques. D’après le modèle standard, un électron, par exemple, peut se trouver en deux endroits en même temps parce qu’il est décrit par une fonction d’ondes. Et d’après la relativité générale, la masse de l’électron courbe l’espace-temps autour de lui. Mais autour de quel endroit. La relativité générale ne peut pas répondre à cette question, puisque sa courbure n’a pas de propriétés quantiques et qu’elle ne peut se trouver en deux endroits à la fois.

Nous ne pouvons pas le mesurer, parce que la force de gravitation d’un électron est trop faible, mais cela n’a pas d’importance ‒ une théorie devrait pouvoir répondre à des questions sans ambiguïté qu’elle puisse ou non être testée.

Ces problèmes de cohérence, s’ils sont rares, sont des guides d’une grande puissance. Le boson de Higgs est un exemple d’une telle prédiction de nécessité. Sans le boson de Higgs, le modèle standard devient intérieurement incohérent aux échelles d’énergie accessibles dans le LHC parce que les résultats de certains calculs paraissent incompatibles avec l’interprétation probabiliste10. Par conséquent, nous savions que quelque chose devait se produire dans le LHC.

Puisque aucune démonstration ne vaut jamais mieux que ses suppositions, il n’aurait pas été possible de prouver que quelque chose de précis devait se produire dans le LHC. Il aurait pu s’agir d’autre chose que le boson de Higgs ‒ l’interaction électrofaible aurait pu se révéler étonnamment forte, par exemple. Mais nous savions que quelque chose devait se produire, parce que les théories dont nous disposions jusqu’alors n’étaient pas cohérentes. Si vous voulez faire quelques exercices de gymnastique cérébrale, vous pourriez essayer d’imaginer la nature affichant une véritable incohérence logique ou adhérant peut-être à une logique d’un genre plus complexe. Mais cela aussi serait synonyme de « quelque chose de nouveau ».

Mais l’espoir que d’autres nouvelles particules à part le boson de Higgs se montrent dans le LHC n’était pas né de la nécessité, mais de la conviction que la nature s’efforce d’éviter les paramètres ajustés.

*

« La masse du boson de Higgs est une grande surprise, reprend Joe, parce que la supersymétrie n’a pas été trouvée jusque-là. Et même si on la trouve maintenant, les nombres sont déjà tellement étirés qu’il y a encore beaucoup d’ajustement. Je ne sais pas qu’en penser. Mais je n’ai pas de meilleure réponse non plus. Parce que la constante cosmologique est un tel problème. Et il faut faire quelque chose à propos de la masse du boson de Higgs.

» Au début, nous avions deux idées ‒ le technicolor et la supersymétrie ‒ pour résoudre le problème de la masse du boson de Higgs. Avec le technicolor, la solution impliquait de rendre les particules composites. Malheureusement, l’idée est vite devenue plus compliquée et moins prometteuse. Mais maintenant, la supersymétrie se retrouve dans la même situation. C’était une chose magnifique, pour laquelle il était facile de prendre fait et cause, mais maintenant, ça devient plus difficile. J’espère toujours qu’on va la trouver. Et alors, peut-être pourra-t-on comprendre pourquoi elle se réalise à de hautes énergies d’une façon plus subtile qu’on ne le pensait.

» Je n’ai aucune idée de pourquoi on n’a pas vu la supersymétrie, ni de ce que ça veut dire pour l’avenir. Aujourd’hui, tout le monde s’excite à cause du saut à 750 GeV*. Vous savez comment c’est.

‒ Qu’est-ce qui rend SUSY si belle ? demandé-je.

‒ Je suis toujours prudent avec des mots comme “beauté”. Ils sont mal définis, me dit Joe. Un jour, j’ai écrit un article sur les travaux de Dirac11. Dirac était particulièrement motivé par la beauté. Dans mon analyse, je disais à la fin : “On peut reconnaître la beauté quand on la voit, et c’est tout.” Mais je crois que d’une certaine façon c’est un mot que j’évite.

» Je pense que je suis moins motivé par la géométrie que la plupart des gens. Les idées qui me paraissent frappantes sont celles qui connectent des choses qui n’étaient pas manifestement connectées auparavant. Par exemple, nous savons qu’il y a des bosons et des fermions dans le monde, et, en extrapolant à partir des progrès réalisés par notre discipline dans le passé, ce serait bien s’il y avait un moyen que les bosons et les fermions soient connectés.

» Donc, la supersymétrie a fourni le genre de connexion que l’on espérait voir. Elle a montré la connexion entre les fermions et les bosons, et pourquoi le boson de Higgs n’était pas lourd. Elle a fourni les moyens potentiels d’y parvenir aussi pour la constante cosmologique. Mais elle n’a pas marché pour la constante cosmologique, et nous n’avons aucune idée de la manière d’y parvenir… »

Il s’interrompt. Puis il conclut : « Peut-être que tout cela n’est vrai qu’à de plus hautes énergies, et que ça n’est pas utile pour ce que nous observons en ce moment. »

Un temps, son regard se perd derrière moi, par la fenêtre. Puis, brusquement, il me demande si je veux une tasse de café ou quelque chose à boire. Je refuse, et il se saisit de ses notes.

Des murs de feu, gravés dans la pierre

Pour préparer la conférence de Munich, Joe a compilé une liste de preuves mathématiques en faveur de la théorie des cordes. Je constate que sa liste correspond parfaitement aux critères de beauté dont j’ai déjà entendu parler.

Il est convaincu par la théorie des cordes, me dit-il, avant tout parce qu’elle réussit à quantifier la gravité, un problème qui n’a pas beaucoup de solutions. De plus, une fois que l’on admet l’idée des cordes, il n’y a que peu de latitude pour bâtir la théorie. Ces deux raisons, selon moi, expliquent le pouvoir de séduction de la « rigidité », que Nima Arkani-Hamed et Steven Weinberg ont eux aussi évoquée.

Joe me signale alors que la théorie des cordes a une autre qualité, à savoir qu’elle est géométrique ‒ cet aspect qui paraissait si important à Garrett Lisi ‒, même si Joe ajoute que, pour lui, « ça ne compte pas tant que ça ».

Les deux points suivants sur sa liste sont des exemples de ce qu’il appelle des « connexions », et de ce que le philosophe Richard Dawid a décrit comme la « conclusion explicative ». Ils sont source de la surprise nécessaire pour qu’une théorie soit élégante. Les connexions dont parle Joe sont (1) les nouvelles perspectives révélées par la dualité jauge/gravité (« nous vivons dans un hologramme ») et (2) la contribution de la théorie des cordes à la thermodynamique des trous noirs.

*

Les trous noirs se forment quand une quantité suffisante de matière s’effondre à cause de la force gravitationnelle de sa propre masse. Si la matière ne parvient pas à développer une pression interne suffisante ‒ par exemple, parce qu’une étoile a épuisé tout son carburant ‒, alors elle peut continuer à s’effondrer jusqu’à ce qu’elle soit concentrée en un seul point. Une fois que la matière est assez concentrée, la force gravitationnelle à sa surface devient si intense que même la lumière ne peut plus s’en échapper : un trou noir vient de naître. La limite de la région d’attraction du trou noir a été nommée « horizon des événements ». De la lumière braquée directement sur l’horizon ne pourra plus s’en échapper, et se mettra à tourner éternellement autour. Or, puisque rien ne se déplace plus vite que la lumière, rien ne peut s’échapper de l’intérieur d’un trou noir.

Cet horizon n’est pas une limite physique. Il n’a pas de substance, et sa présence ne peut être déduite qu’à distance, non en s’en approchant. En fait, on peut même le franchir sans s’en apercevoir, si le trou noir est assez grand. Cela s’explique par le fait qu’en chute libre on ne ressent pas la force gravitationnelle, seulement un changement dans cette dernière, dit « force de marée ». Et la force de marée est inversement proportionnelle à la masse du trou noir : plus ce dernier est grand, plus la force de marée est réduite.

En effet, si vous tombez dans un trou noir supermassif ‒ comme celui qui se trouve au centre de la Voie lactée ‒, la force de marée est si faible que vous ne vous en apercevriez pas en franchissant l’horizon des événements. En partant du principe que vous y plongez la tête la première, la force de marée tirerait un peu plus sur votre tête que sur vos pieds, si bien que vous vous étireriez. À l’horizon, cet étirement est minuscule. Or, plus vous vous rapprochez du centre du trou noir, plus l’étirement devient déplaisant, mais à ce stade-là, il est déjà trop tard pour faire demi-tour. La cause officielle de votre trépas, qui s’ensuivrait, porterait le nom technique de « spaghettification ».

Longtemps, les trous noirs ont été de l’ordre de la spéculation, mais au cours des vingt dernières années, les astronomes ont rassemblé des preuves irréfutables de leur existence, à la fois pour les trous noirs stellaires (formés d’étoiles consumées et effondrées) et pour les trous noirs supermassifs (présentant des masses de 1 million à 100 milliards de fois supérieures à celle de notre Soleil). On trouve des trous noirs supermassifs au centre de la plupart des galaxies, même si l’on ne sait pas encore exactement comment ils atteignent les dimensions qui sont les leurs. Celui de notre galaxie a été baptisé Sagittaire A* (ou Sgr A*).

La meilleure preuve de l’existence des trous noirs dont nous disposions aujourd’hui nous vient de l’observation des orbites des étoiles et du comportement des gaz autour d’eux, associée à l’absence de radiation qui devrait normalement être émise par la matière en accrétion quand elle entre en contact avec une surface. Les orbites nous disent quelle masse est prise au piège de la région de l’espace que nous observons, et le manque de radiation, lui, nous prouve que l’objet ne peut pas avoir une surface solide.

Mais les expérimentalistes ne sont pas les seuls à être fascinés par les trous noirs, les théoriciens aussi. Ce qui les intrigue le plus, ce sont les conséquences d’un calcul réalisé par Stephen Hawking. En 1974, Hawking a démontré que bien que rien ne puisse s’échapper de l’horizon, un trou noir peut malgré tout perdre de la masse en émettant des particules. Les particules de ce que l’on appelle désormais la « radiation de Hawking » sont créées par des fluctuations quantiques dans les champs de matière à proximité de l’horizon. Les particules sont produites en paires à partir de l’énergie du champ gravitationnel. De temps à autre, une particule de la paire s’échappe, alors que l’autre retombe dans le trou noir, ce qui entraîne une perte nette de masse pour ce dernier. Cette radiation se compose de tous les types de particules et se caractérise par sa température, inversement proportionnelle à la masse du trou noir ‒, ce qui signifie que les trous plus petits sont plus chauds, et que la température d’un trou noir augmente avec son évaporation.

Je tiens à souligner que la radiation de Hawking n’est pas causée par les effets quantiques de la gravité, mais qu’elle est plutôt le produit des effets quantiques de la matière dans un espace-temps courbe non quantique. Autrement dit, elle est calculée uniquement à l’aide de théories qui sont déjà solidement confirmées.

Pourquoi l’évaporation des trous noirs fascine-t-elle tant les théoriciens ? Parce que la radiation de Hawking ne contient aucune information (en dehors de la valeur de la température elle-même) ; elle est complètement aléatoire. Mais en théorie quantique, l’information ne peut être détruite. Elle peut finir si incroyablement mélangée qu’elle est en pratique impossible à récupérer, mais en principe, la théorie quantique conserve toujours l’information12. Si vous brûlez un livre, les informations qu’il contenait ne sont perdues qu’en apparence. En réalité, elles se sont simplement transformées en fumée et en cendres. Si vous ne pouvez plus rien faire du livre brûlé, il n’est pas en conflit avec la théorie quantique. Le seul processus dont nous savons qu’il détruit vraiment l’information, c’est l’évaporation des trous noirs.

D’où cette énigme : nous avons tenté de combiner la gravité avec la théorie quantique de la matière, et nous avons découvert que le résultat n’était pas compatible avec la théorie quantique. Il faut que ça cède quelque part, mais où ? La plupart des physiciens théoriciens ‒ dont moi ‒ pensent qu’il va nous falloir une théorie de la gravité quantique pour résoudre le problème.

Jusqu’en 2012, beaucoup de théoriciens des cordes croyaient avoir réglé le problème de perte d’information grâce à la dualité jauge/gravité. Avec cette dualité, tout ce qui se passe pendant la formation et l’évaporation du trou noir peut être alternativement décrit par une théorie de jauge. Toutefois, dans la théorie de jauge, nous savons que le processus est réversible, et donc, l’évaporation du trou noir doit elle aussi être réversible. Cela n’explique pas comment l’information est exactement émise par le trou noir, mais cela démontre que dans la théorie des cordes le problème n’existe pas. Mieux encore, à l’aide de cette méthode, les théoriciens des cordes peuvent compter combien il y a de façons de faire un trou noir ‒ les « microétats » d’un trou noir ‒, et le résultat correspond parfaitement au calcul de la température de Hawking.

Pour les théoriciens, tout allait apparemment pour le mieux. Et là, il s’est passé quelque chose de tout à fait inattendu : un calcul effectué par Joe Polchinski et ses collaborateurs de l’Université de Californie de Santa Barbara, a prouvé que ce qu’ils pensaient être la bonne explication ne pouvait pas l’être13.

La radiation de Hawking ‒ le type qui ne contient pas d’information ‒ est compatible avec la relativité générale, conformément à laquelle un observateur en chute libre ne devrait pas s’apercevoir qu’il franchit l’horizon des événements. Mais Polchinski et son équipe ont démontré que si l’on fait entrer de force l’information dans la radiation de Hawking, alors l’horizon doit être entouré de particules à très haute énergie qui brûlent rapidement tout et quiconque tombe dans un trou noir ‒ les trous noirs seraient entourés par ce qu’ils appellent un « mur de feu ».

Le mur de feu a engendré une situation où les théoriciens des cordes sont perdants à tous les coups : soit ils détruisent l’information et ils ruinent la mécanique quantique, soit ils libèrent l’information et ils ruinent la relativité générale. Or, aucune de ces deux options n’est acceptable pour une théorie dont le but était de combiner la mécanique quantique et la relativité générale.

Dans les quatre ans qui ont suivi la publication de l’article sur le mur de feu, il a été cité plus de 500 fois, mais les chercheurs ne sont pas parvenus à s’entendre quant à ce qu’il fallait en faire.

La température des trous noirs stellaires et des trous noirs supermassifs est si infime qu’elle ne peut être mesurée ‒ elle est bien en dessous de la température, déjà minime, du fond diffus cosmologique. Les trous noirs que nous sommes capables d’observer aujourd’hui acquièrent davantage de masse en engloutissant leur environnement qu’ils n’en perdent du fait de la radiation de Hawking. Ainsi, il n’y a aucun moyen de tester expérimentalement l’une ou l’autre des tentatives de comprendre l’évaporation des trous noirs. C’est un problème de mathématiques pures qui ne court pas le risque d’être perturbé par les données.

Les maths et l’espoir : un cas d’école

La sixième et dernière raison inscrite sur la liste des preuves mathématiques en faveur de la théorie des cordes de Joe, c’est le multivers. Mais il ne lui a pas été facile d’accepter que le multivers soit un aspect souhaitable de la théorie des cordes.

Son doctorat en poche, me raconte-t-il, il a voulu expliquer la valeur de la constante cosmologique ‒ que l’on pensait être zéro à l’époque ‒, mais il a échoué. Steven Weinberg a alors suggéré que la constante cosmologique est un paramètre aléatoire, auquel cas nous ne pouvons calculer que ce qui est la valeur la plus probable que nous sommes à même d’observer.

« Quand Weinberg a débarqué avec son argument, là, j’ai dit non, m’affirme Joe. Moi, ce nombre, je voulais le calculer, je ne voulais pas qu’il soit aléatoire. »

Weinberg ne disait pas où existent toutes les valeurs aléatoires de la constante cosmologique ; il se contentait de partir du principe qu’il doit y avoir un grand nombre d’univers. À ce stade, l’idée était encore très vague, en réalité. Ce qui allait changer, grâce à Joe, entre autres.

Il se souvient : « [Raphael] Bousso et moi avons alors montré, à mon grand dam, que la théorie des cordes semblait apparemment fournir exactement le genre de loi microscopique dont Weinberg avait besoin. » Les mathématiques venaient de révéler une nouvelle connexion, et celle-ci non seulement était inattendue, mais, en outre, elle n’était pas la bienvenue.

« Je voulais que ça disparaisse, mais ça n’a pas été le cas, raconte Joe. Même quand les gens ont commencé à travailler là-dessus, à l’étudier, je voulais que ça disparaisse. Il a littéralement fallu que j’aille consulter un psy à cause de ça. Ça me rendait tellement malheureux. J’avais l’impression que c’était en train de nous priver d’une de nos dernières grandes clés pour comprendre la nature profonde de la physique fondamentale, parce que les choses que l’on avait espéré calculer étaient devenues aléatoires. »

La constante cosmologique a été calculée, Weinberg avait vu juste. Le multivers avait fait la démonstration de son utilité.

Joe reprend : « Bien des années après, Sean Carroll m’a rappelé que je lui avais promis qu’il pourrait avoir mon bureau quand on aurait trouvé la constante cosmologique parce que j’avais le sentiment que ça serait la fin de la physique. Pendant de longues années, j’ai eu la sensation que notre chemin était désormais en parti bloqué.

» Pour tout dire, j’ai une grosse tendance à l’anxiété qui, parfois, me rend la vie carrément impossible. Mais avec le multivers, j’en étais arrivé au point où je me suis dit que j’avais probablement intérêt à voir un médecin. C’est vrai, j’ai fini chez le psychiatre à cause du multivers », ajoute-t-il en riant.

Puis, lentement, il en est venu à accepter la nouvelle situation. Il pense désormais qu’il y a un avantage à ce que la théorie des cordes offre un panorama de solutions qui rend possibles des prédictions probabilistes.

« Si l’on revient en arrière dans l’histoire des sciences en oubliant le problème de ce que je désirais être vrai, concède-t-il, la théorie des cordes a apporté cette pièce dont Weinberg avait besoin pour compléter son tableau. »

*

Pour moi, le récit de Joe est révélateur d’un problème dont les scientifiques ne parlent que rarement : il peut être difficile d’admettre la vérité, surtout quand elle n’est pas belle.

La recherche de la beauté et du sens dans l’ordre naturel des choses est un désir humain contre lequel les scientifiques ne sont pas immunisés. Le psychologue Irvin Yalom a identifié l’absence de sens comme étant l’une de nos quatre angoisses existentielles, et nous ne ménageons pas nos efforts pour lui échapper14. De fait, nombre de nos biais cognitifs, comme notre propension à prendre nos désirs pour des réalités (que les psychologues préfèrent appeler « cognition motivée »), sont là pour nous protéger de la brutalité de la réalité.

Mais quand on est scientifique, il faut s’arracher au confort de l’illusion. Ce n’est pas toujours facile. Ce que vos équations vous montrent peut ne pas correspondre à ce que vous espériez ‒ et le prix à payer peut s’avérer trop élever.

Joe est une des personnes les plus honnêtes que je connaisse, sur le plan intellectuel, toujours disposé à aller au bout d’un argument, qu’il aime ou non où ça le mène ‒ comme le prouvent les exemples du mur de feu du trou noir et du multivers. Ce qui fait de lui un penseur particulièrement lucide, bien qu’il lui arrive parfois de ne pas apprécier toutes les conclusions que la logique lui impose. Et c’est justement pour cette raison que nous utilisons les mathématiques en physique théorique : si les maths sont faites correctement, les conclusions sont indéniables.

Mais la physique n’est pas des maths. Même la meilleure déduction logique dépend quand même des suppositions sur lesquelles nous nous sommes basés. Dans le cas de la théorie des cordes, par exemple, ce sont les symétries de la relativité spéciale et la procédure de quantification. Il n’y a aucun moyen de démontrer ces suppositions en elles-mêmes. Au bout du compte, seule l’expérience peut déterminer quelle théorie de la nature est correcte.

*

Joe est arrivé à la fin de ses notes. Il me déclare que, de son point de vue, le plus gros problème auquel la théorie des cordes est aujourd’hui confrontée, ce sont les murs de feu des trous noirs. Ils « nous ont appris que nous n’en savions pas autant que nous le pensions ».

« Selon vous, où en sommes-nous sur la voie qui mène à une théorie de tout ? lui demandé-je.

‒ Je déteste le terme “théorie de tout”, parce que ce “tout” est tout simplement mal défini et présomptueux, commence-t-il, avant d’ajouter : Je pense que la théorie des cordes est incomplète. Elle a besoin de nouvelles idées. Elles pourraient venir de la gravitation quantique à boucles. Si c’est le cas, il va y avoir une fusion des orientations. […] C’est peut-être cette réorientation qu’il nous faut. Mais la théorie des cordes a eu un tel succès que les gens qui vont progresser sont ceux qui vont s’inspirer de cette idée. »

La théorie des cordes et ses mécontents

Le roman de Stephen King Les Tommyknockers, paru en 1987, débute dans les bois, où Roberta trébuche sur un morceau de métal en partie enfoui. Elle tente de l’arracher du sol, mais il ne bouge pas, aussi se met-elle à creuser. Rapidement, elle est rejointe par d’autres gens dans sa quête frénétique pour déterrer ce qui se trouve caché là : un objet immense, dont la fonction est inconnue, qui s’étend dans le sous-sol. Plus ils le mettent au jour, plus la santé des participants aux travaux d’excavation se détériore, mais ils développent de nouveaux dons, dont la télépathie et une intelligence supérieure. L’objet est en fait un vaisseau extraterrestre. Des gens meurent. Fin.

King lui-même a dit des Tommyknockers que c’était « un livre affreux15 ». Il n’a peut-être pas tort, mais il constitue une métaphore parfaite pour la théorie des cordes : un objet étrange, à la fonction inconnue, profondément enfoui dans les mathématiques, et une foule de gens d’une intelligence supérieure et de plus en plus fanatiques qui s’efforcent de le ramener à la lumière du jour.

Ils ne savent toujours pas ce qu’est la théorie des cordes. Même le meilleur ami des théoriciens des cordes, Joseph Conlon, l’a évoquée en des termes sibyllins, parlant d’une « structure constante de quelque chose16 ». Et Daniele Amati, un des fondateurs du domaine, a affirmé que « la théorie des cordes est une partie de la physique du XXIe siècle qui est tombée par hasard dans le XXe siècle17 ». Je sais, elle paraissait plus convaincante au XXe siècle.

Mais en dépit de toute la controverse que suscite la théorie des cordes dans la sphère publique, au sein de la communauté des physiciens, rares sont ceux qui doutent de son utilité. Contrairement à la théorie du vortex, les mathématiques de la théorie des cordes sont profondément enracinées dans des théories qui décrivent la nature de manière démontrable : la théorie quantique des champs et la relativité générale. Donc, nous sommes sûrs que la théorie des cordes a un lien avec le monde réel. Nous savons également que la théorie des cordes peut servir à mieux comprendre la théorie quantique des champs. Mais est-elle vraiment cette théorie tant recherchée de la gravitation quantique et une unification des interactions du modèle standard, ça, nous n’en savons toujours rien.

Ses défenseurs aiment à souligner que puisque la théorie des cordes est une théorie de la gravité quantique, et qu’elle relie entre elles des théories dont nous ne savons pas si elles sont correctes, il semble raisonnable d’espérer qu’elle est la théorie de la gravité quantique. La théorie des cordes est un organe mathématique si énorme et si beau qu’ils ne peuvent admettre que la nature ait pu choisir une autre solution.

Par exemple, un manuel très utilisé sur la théorie des cordes, rédigé par Lars Brink et Marc Henneaux, commence comme suit : « La beauté presque irrésistible de la théorie des cordes a séduit bien des physiciens théoriciens ces dernières années. Même des hommes endurcis se sont laissé entraîner par ce qu’ils peuvent déjà en voir, et par la promesse d’en voir plus18. » Et John Schwarz, lui aussi un des fondateurs du domaine, se souvient : « La structure mathématique de la théorie des cordes était si belle et avait tant de propriétés miraculeuses qu’elle ne pouvait que nous indiquer le chemin vers quelque chose de profond19. »

Mais en même temps, les mathématiques regorgent de choses aussi belles qu’étonnantes, et la plupart d’entre elles ne décrivent pas le monde. Je pourrais revenir encore et encore jusqu’à la fin de l’inflation éternelle sur le fait qu’il est bien dommage que nous ne vivions pas dans une variété complexe à six dimensions parce que le calcul infinitésimal dans de tels espaces est tellement plus beau que dans l’espace réel qui est le nôtre, mais ça n’y changerait rien. La nature s’en moque. De plus, non seulement personne n’a démontré que la théorie des cordes découle de façon unique de la relativité générale et du modèle standard, mais une telle démonstration est impossible parce que ‒ reprenez avec moi, tous en chœur ‒ aucune démonstration ne vaut mieux que ses suppositions.

Or, nous ne pouvons jamais prouver que les suppositions sont vraies. Par conséquent, la théorie des cordes n’est pas la seule approche, ni de la gravité quantique ni de l’unification. C’est juste que les autres approches ont pour points de départ des suppositions différentes, comme la théorie E8 de Garrett Lisi, qui part du postulat que la nature devrait être géométriquement naturelle. Mais en dehors de la théorie des cordes, seules quelques autres approches de la gravité quantique se sont développées au point de devenir des programmes de recherche d’une certaine ampleur.

À l’heure actuelle, la principale concurrente de la théorie des cordes est la théorie de la gravitation quantique à boucles. Pour éviter les problèmes qui surviennent généralement quand on tente de quantifier la gravité, elle identifie de nouvelles variables dynamiques qui doivent ensuite être quantifiées, comme de petites boucles dans l’espace-temps (d’où son nom). Les partisans de la gravitation quantique à boucles estiment qu’il est plus important de respecter les principes de la relativité générale dès le début plutôt que de prendre en compte l’unification des forces du modèle standard. Les théoriciens des cordes adoptent le point de vue inverse ‒ ils pensent que la nécessité d’une unification de toutes les forces constitue une orientation supplémentaire.

La sécurité asymptotique représente probablement la continuation la plus conservatrice des théories dont nous disposons actuellement. Les chercheurs de ce domaine soutiennent que nous avons simplement tort de penser qu’il y a un problème avec la gravité quantique. Si l’on y regarde de plus près, affirment-ils, la≈quantification habituelle fonctionne très bien. Avec la sécurité asymptotique, les problèmes qui apparaissent quand on quantifie la gravité sont évités parce que la gravité s’affaiblit à de plus hautes énergies.

La triangulation dynamique causale s’attaque au problème en commençant par rapprocher l’espace-temps de formes triangulaires (d’où son nom) avant de le quantifier. Cette idée a permis d’accomplir de sérieux progrès ces dernières années, en particulier pour décrire la géométrie de l’univers primitif.

Il existe encore quelques autres approches de la gravité quantique, mais ce sont les plus populaires en ce moment20. Presque toutes les tentatives de quantifier la gravité partent actuellement du principe que les symétries que nous avons trouvées dans le modèle standard et la relativité générale dévoilent déjà une partie de la structure sous-jacente. Un autre point de vue, complètement différent, assure que les symétries que nous observons sont elles-mêmes non fondamentales, mais émergentes.

L’émergence de la beauté

Xiao-Gang Wen enseigne la physique de la matière condensée au Massachusetts Institute of Technology (MIT). Sa discipline traite de systèmes composés de nombreuses particules qui agissent ensemble ‒ des solides, des liquides, des supraconducteurs, et autres. Dans le langage du chapitre 3, la physique de la matière condensée utilise des théories effectives, qui ne sont valides qu’à de faibles résolutions ou des niveaux d’énergie limités ‒ elle ne fait pas partie des fondations de la physique. Mais Xiao-Gang pense que l’univers et tout ce qui s’y trouve fonctionnent comme la matière condensée.

Dans son imagination, l’espace se compose de minuscules unités élémentaires, et ce que nous considérons comme des particules du modèle standard ne sont que des mouvements collectifs ‒ des « quasi-particules » ‒ de ces unités élémentaires. Xiao-Gang a aussi une quasi-particule baptisée « graviton », donc, la gravité est également prise en compte. Il est en quête d’une théorie complète de tout21.

Dans l’univers de Xiao-Gang, les unités élémentaires sont des bits quantiques, ou « qubits », version quantique des bits classiques. Un bit classique peut adopter deux états (disons 0 et 1), alors qu’un qubit peut être les deux en même temps, dans toutes les combinaisons possibles. Dans un ordinateur quantique, un qubit est fait d’autres particules. Mais dans la théorie de Xiao-Gang, les qubits sont fondamentaux. Ils ne sont faits de rien d’autre, tout comme les cordes des théoriciens des cordes ne sont faites de rien d’autre ‒ elles sont, et c’est tout. D’après Xiao-Gang, le modèle standard et la relativité générale ne sont pas fondamentaux, mais émergents, et ils émergent des qubits.

Je me dis que son idée va constituer un excellent antidote à l’attrait de la théorie des cordes, donc, je l’appelle.

« Qu’est-ce que vous n’aimez pas dans les approches existantes, commencé-je, la théorie des cordes, la gravitation quantique à boucles, SUSY, quand on en vient à la gravité quantique et à l’unification ?

‒ J’ai une conception très stricte d’une théorie quantique », me déclare-t-il avant de détailler ses idées. Pour expliquer les qubits et leurs interactions, il utilise une grande matrice ‒ une version plus formelle d’un tableau ‒ dont chaque entrée décrit un qubit. Cette matrice change avec un temps absolu [newtonien], rompant par conséquent l’union de l’espace et du temps introduite par Einstein.

Ça ne me plaît pas du tout, mais c’est justement pour ça que je voulais m’entretenir avec lui, dois-je me rappeler.

« Votre matrice est finie ? fais-je, peu encline à croire que l’univers entier peut être inscrit dans un tableau.

‒ Oui, répond-il, précisant que dans son approche l’univers lui-même est fini. Si nous envisageons l’espace comme un réseau, chaque point du réseau comprendra un ou quelques qubits. Nous affirmons que l’espacement du réseau pourrait être à l’échelle de Planck. Mais le réseau ne présente pas de géométrie continue ; l’univers n’est que des qubits discrets. La dynamique quantique des qubits est décrite par une matrice, et la matrice est finie. »

Merveilleux, pensé-je, c’est encore plus laid que je ne l’aurais cru. « Vous vous contentez de postuler cette matrice ? lui demandé-je.

‒ Oui, dit-il, et je pense que grâce à elle on peut obtenir toutes les principales caractéristiques du modèle standard. Nous n’avons pas encore de modèle complet, mais tous les ingrédients nécessaires peuvent être produits par les qubits du réseau.

‒ Qu’advient-il de la relativité spéciale ?

‒ Exactement. C’est quelque chose dont nous devrions vraiment nous inquiéter. »

Effectivement, me dis-je tandis qu’il m’explique que la relativité spéciale « est cohérente avec l’approche qubit, mais pas naturellement ».

« Qu’entendez-vous par “pas naturellement” ? » Je tiens à le savoir.

Xiao-Gang me dit que pour obtenir la relativité spéciale dans de bonnes conditions il doit ajuster les paramètres du modèle. « Pourquoi ça doit être comme ça, je ne sais pas, admet-il. Mais si vous insistez, je peux le faire. »

Une fois ajusté, le modèle qubit de Xiao-Gang peut approximativement reproduire la relativité spéciale, du moins, il me l’assure.

« Mais les symétries de jauge sont émergentes à des énergies faibles ? » Je veux en être sûre.

« Oui », déclare-t-il. Si la « théorie fondamentale de la nature n’a peut-être aucune symétrie, explique-t-il, nous n’avons pas besoin de symétrie dans le modèle qubit pour obtenir une symétrie de jauge à des énergies faibles ».

De plus, Xiao-Gang dit que ses collaborateurs et lui ont des indices tendant à prouver que le modèle pourrait également contenir une approximation de la relativité générale, même s’il insiste sur le fait qu’ils ne disposent pas encore de conclusions définitives.

Je suis sceptique, mais je me dis qu’il faut que je sois plus ouverte d’esprit. N’est-ce pas là ce que je cherche, quelque chose qui sort des sentiers battus ? Est-il franchement plus bizarre de croire que tout est fait de qubits, plutôt que de cordes, de boucles ou d’une représentation en 248 dimensions d’une algèbre géante de Lie ?

J’imagine à quel point il doit paraître totalement absurde à quelqu’un dont le dernier contact avec la physique remonte à la première que des gens puissent être payés pour des idées comme ça. Et puis, pensé-je, après tout, il y en a bien qui sont payés pour lancer des balles dans des paniers.

« Comment ont été accueillis vos travaux ?

‒ Plutôt mal, m’avoue-t-il. Les gens [de la physique] des hautes énergies n’apprécient pas trop ce qu’on essaie de faire. Ils demandent : “Pourquoi ?” Parce qu’ils pensent que le modèle standard plus la théorie des perturbations, ça suffit amplement, et ils disent que nous n’avons pas besoin d’aller plus loin. »

Soudain, je comprends ce que veut Xiao-Gang. Ce qui l’intéresse, ce n’est pas du tout l’unification. Il rêve de mettre de l’ordre dans les mathématiques confuses du modèle standard.

*

Au cas où je vous aurais donné l’impression que nous comprenons les théories avec lesquelles nous travaillons, je suis désolée, mais ce n’est pas vrai. Nous ne sommes pas vraiment à même de résoudre les équations du modèle standard, et donc, ce que nous faisons, c’est que nous les résolvons approximativement à l’aide de ce que l’on appelle la « théorie des perturbations ».

Nous commençons par considérer les particules qui n’interagissent pas du tout, pour apprendre comment elles se déplacent quand on ne les dérange pas. Ensuite, nous laissons les particules s’entrechoquer, mais en douceur, afin qu’elles ne se dévient pas trop les unes les autres de leurs trajectoires. Puis nous procédons à des ajustements successifs pour prendre en compte le nombre croissant de chocs légers, jusqu’à ce que l’on atteigne la précision de calcul souhaitée. C’est comme si l’on réalisait un croquis auquel on rajoutait de plus en plus de détails.

Toutefois, cette méthode ne fonctionne que quand l’interaction entre les particules n’est pas trop forte ‒ quand les chocs ne sont pas trop violents ‒, car sinon, les ajustements restent importants (ou ne sont plus des ajustements). C’est pourquoi il est par exemple difficile de calculer comment les quarks se combinent pour former les noyaux des atomes, parce qu’à de faibles niveaux d’énergie l’interaction forte l’est effectivement, et les ajustements sont sensibles. Heureusement, puisque l’interaction forte s’affaiblit à de plus hautes énergies, les calculs pour les collisions dans le LHC sont relativement simples.

Même si la méthode fonctionne dans certains cas, nous savons que les maths finiront par nous faire défaut parce que les ajustements ne peuvent être éternellement plus fins. Pour un physicien pragmatique, une méthode qui fournit des prédictions correctes convient parfaitement, que les mathématiciens sachent ou non pourquoi elle fonctionne. Mais comme le souligne Xiao-Gang, fondamentalement, nous ne comprenons pas la théorie. C’est peut-être un problème de mathématiques manquantes, ou quelque chose de plus profond22.

Xiao-Gang pense que ce problème ne bénéficie pas de l’attention qu’il mérite, et que ce manque d’attention entraîne un défaut d’expériences qui permettraient d’y voir plus clair. « Ce qu’il nous faut, c’est une nouvelle expérience qui oblige les gens à regarder le problème en face », assène-t-il. Et il suggère que nous étudiions le comportement de la matière dans l’univers primitif dans des cas qui ne peuvent pas être traités avec les approximations habituelles.

Je me dis qu’il a raison, et je regrette d’avoir mal jugé son idée. J’avais complètement oublié ces problèmes pourtant bien connus. C’est comme si personne n’en parlait jamais.

« Quand j’essaie d’écrire un papier pour des gens qui travaillent dans le domaine de la gravité quantique et de la physique des particules à haute énergie, même si, à l’origine, je viens de la physique des particules à haute énergie, j’ai le sentiment qu’il est très difficile de communiquer, commente Xiao-Gang. Le point de vue fondamental et le point de départ sont très différents. De notre point de vue, le point de départ n’est juste qu’un tas de modestes qubits. Mais ça mène à la symétrie de jauge, [aux fermions], et cætera. Et la beauté est émergente. Ce n’est pas populaire. Ce n’est pas en vogue. »

EN BREF

* Les problèmes de cohérence sont de formidables guides vers de nouvelles lois de la nature. Ils ne sont pas une question d’esthétique.

* Mais même les problèmes de cohérence ne peuvent être résolus uniquement par les mathématiques et sans direction expérimentale, car la formulation du problème en lui-même dépend des suppositions considérées comme vraies.

* Les physiciens théoriciens sont coupables de dissimuler les questions épineuses sous le tapis et de se concentrer plutôt sur des questions qui ont plus de chances de donner des résultats publiables à court terme.

* Si l’on ne progresse pas actuellement, c’est peut-être parce qu’on se concentre sur les mauvaises questions.

* Il s’agit de l’anomalie du diphoton (NdA).

Chapitre 9

L’univers, tout et le reste

Où j’admire les mille et une façons d’expliquer pourquoi personne ne voit les particules que nous inventons.

Des lois comme des saucisses

On surnomme parfois la science le « marché des idées », mais elle se distingue d’une économie de marché en particulier par les clients qu’elle s’efforce de satisfaire. Dans les sciences, les spécialistes ne travaillent que pour d’autres spécialistes, et nous jugeons réciproquement nos produits. La sanction définitive dépend de notre capacité à expliquer nos observations. Mais en l’absence de tests observationnels, la propriété la plus importante, pour une théorie, est l’approbation de nos pairs.1

Pour nous autres théoriciens, c’est très souvent l’approbation des pairs qui détermine si nos théories seront jamais expérimentées. Si l’on fait abstraction de quelques rares chanceux couverts de prix et d’argent, dans le monde universitaire moderne, le destin d’une idée dépend de réviseurs anonymes choisis parmi nos collègues2. Sans leur approbation, il est difficile d’obtenir des fonds pour financer la recherche. Une théorie impopulaire dont le développement nécessite davantage de temps que ne peut se le permettre un chercheur qui n’est pas soutenu financièrement a de grands risques de mourir rapidement.

L’autre différence entre un marché de consommation courante et le marché des idées, c’est que si la valeur d’un produit est déterminée par le marché, la valeur de l’explication scientifique finit par être déterminée par son utilité pour décrire des observations ‒ l’ennui étant que cette valeur est souvent inconnue au moment où les chercheurs doivent décider à quoi consacrer leur temps. La science n’est donc pas un marché qui crée sa propre valeur. C’est plutôt une plateforme de prédiction où identifier une valeur extérieure. La fonction de la communauté scientifique et de ses institutions est de choisir les idées les plus prometteuses et de les soutenir. Cela veut cependant dire que dans les sciences le marketing empêche le système de fonctionner correctement parce qu’il déforme les informations nécessaires. Si tout devient révolutionnaire et novateur, plus rien ne l’est.

Le besoin d’évaluer quelles idées méritent d’être étudiées plus avant en l’absence d’un soutien expérimental s’est fait jour pour la première fois dans la physique fondamentale, parce que c’est le domaine de recherche où les nouvelles hypothèses sont les plus difficiles à tester. Or, c’est un problème qui, tôt ou tard, se manifestera aussi dans d’autres disciplines. Comme il devient de plus en plus compliqué d’obtenir des données, le décalage entre le développement théorique et le test expérimental s’accroît. Et puisque les théories ne coûtent pas cher et ne manquent pas, alors que les expériences, elles, sont onéreuses et rares, d’une façon ou d’une autre, il nous faut choisir quelles théories méritent d’être testées.

Cela ne veut pas dire que nos descriptions de la nature sont vouées à rester des constructions sociales sans relation avec la réalité. La science, c’est certain, est bien une entreprise sociale. Mais tant que l’on procède à des vérifications expérimentales, nos hypothèses sont liées à l’observation. Vous pourrez m’objecter que les expériences aussi sont réalisées et évaluées par des êtres humains, ce qui est tout à fait juste ‒ la science est « socialement construite » au sens où les scientifiques sont des gens qui travaillent en collaboration. Mais si une théorie fonctionne, elle fonctionne, et la traiter de construction sociale revient à se plaindre inutilement.

Cela signifie cependant que l’on peut, quand on manque cruellement de nouvelles données, se retrouver pris au piège d’hypothèses invérifiées et d’idées dépassées. Nous, les physiciens des fondations, nous sommes comme le canari dans la mine de charbon. Et nous avons intérêt à ne pas rester mollement posés sur le sol, parce que les constructivistes sociaux nous ont à l’œil, impatients de nous autopsier.

Le canari n’est pas en grande forme. On pourrait croire que les scientifiques, ayant pour mission, professionnellement, d’être objectifs, défendraient leur liberté créative et se rebelleraient contre la nécessité de faire plaisir à leurs collègues dans l’espoir de s’assurer un financement. Il n’en est rien.

Les scientifiques se prêtent au jeu pour plusieurs motifs. Pour commencer, ceux qui ne supportent pas la situation s’en vont, et ceux qui restent sont donc ceux qui ont le moins de raisons de se plaindre ‒ ou peut-être parviennent-ils simplement à se convaincre que tout va bien3. Ensuite, toute réflexion sur la manière dont les sciences pourraient fonctionner au mieux se fait aux dépens du temps consacré à la recherche elle-même, ce qui constitue un désavantage en matière de concurrence. Plusieurs amis, bien intentionnés, ont tenté de me dissuader d’écrire ce livre.

Mais la principale raison, c’est que les scientifiques font confiance à la science. Ils ne s’inquiètent pas. « C’est le système », lâchent-ils en haussant les épaules, puis ils se disent, à eux-mêmes et à quiconque veut bien les écouter, que ça n’a pas d’importance parce qu’ils croient que la science fonctionne quand même, de toute façon. « Écoutez, disent-ils, ça a toujours marché. » Ensuite, ils prêchent l’évangile de l’innovation par le hasard, lequel fait bien les choses. Peu importe ce que l’on fait, nous enseigne cet évangile, de toute façon, les percées sont impossibles à prédire. Nous sommes tous des gens intelligents, alors, continuons à faire ce que l’on sait faire, et étonnons-nous des surprises qui en surgiront. Vous ne savez pas que Tim Berners-Lee a inventé le World Wide Web pour aider les physiciens des particules à partager leurs données ?

« Tout est permis » est une bonne idée, mais si l’on croit que les gens intelligents travaillent mieux quand on les laisse s’adonner à leur passion en toute liberté, mieux vaut veiller à ce qu’ils puissent effectivement s’y adonner en toute liberté. Or, il ne suffit pas de ne rien faire.

J’en ai été le témoin dans mon propre domaine de recherche, et c’est ce que raconte ce livre. Mais ce problème ne concerne pas que les fondations de la physique. De nos jours, presque tous les scientifiques vivent secrètement un conflit d’intérêts entre financement et honnêteté. Même les chercheurs titularisés doivent désormais constamment publier des articles régulièrement cités et décrocher des bourses, deux activités qui nécessitent l’approbation de leurs pairs. Plus les pairs sont nombreux à approuver, mieux ça vaut. Alors que si vous ne dissimulez pas les défauts éventuels de votre programme de recherche, vous risquez de saboter vos espoirs de financement. Nous sommes prisonniers d’un système qui nous pousse à continuer à produire la même chose.

Vous vous en tirerez mieux si vous réussissez à vous convaincre que les sciences restent valides. Ce que je n’ai évidemment pas su faire. « Les lois, comme les saucisses, cessent de nous inspirer le respect dès lors que l’on sait comment elles sont faites », a dit John Godfrey Saxe. Lui avait à l’esprit le droit civil, mais aujourd’hui, cela s’applique tout autant aux lois de la nature.

Creuser dans l’obscurité

En 1930, Wolfgang Pauli a postulé l’existence d’une nouvelle particule ‒ le neutrino ‒ afin d’expliquer la non-conservation apparente de l’énergie dans la désintégration nucléaire. Pour lui, c’était un « remède désespéré », et il confia à son collègue, l’astronome Walter Baade : « J’ai fait quelque chose de terrible aujourd’hui, quelque chose qu’aucun physicien théoricien ne devrait jamais faire. J’ai suggéré quelque chose qui ne pourra jamais être vérifié expérimentalement4. » Le neutrino a été détecté vingt-cinq ans plus tard.

Depuis l’époque de Pauli, postuler l’existence de particules est devenu le passe-temps favori des théoriciens. Nous avons des préons, des sfermions, des dyons, des monopoles magnétiques, des simps, des WIMP, des wimpzillas, des axions, des flaxions, des erebons, des cornucipons, des magnons géants, des maximons, des macros, des branons, des skyrmions, des cuscutons, des planckons et des neutrinos stériles ‒ pour ne citer que les plus populaires. Nous avons même des antiparticules. Rien de tout cela n’a jamais été vu, mais leurs propriétés ont été étudiées en détail dans des milliers d’articles publiés.

La première règle, pour qui veut inventer une nouvelle particule, est qu’il faut une bonne raison pour expliquer pourquoi elle n’a pas encore été détectée. Pour cela, vous pouvez postuler soit que trop d’énergie est nécessaire pour la produire, soit qu’elle interagit trop rarement pour la sensibilité des détecteurs actuels. Voire les deux.

En physique des hautes énergies, il est particulièrement à la mode de stocker de nouvelles particules à haute énergie. Il peut falloir beaucoup d’énergie pour produire une particule, soit parce que la particule elle-même est très massive, soit parce que la particule est solidement liée, et que ce lien doit être brisé pour qu’on puisse la voir. L’autre solution qui consiste à expliquer l’absence de détection par une prétendue faiblesse de l’interaction est plus populaire en astrophysique parce que les particules de ce genre sont de bons candidats pour la matière noire. On les décrit dans leur ensemble comme étant le « secteur caché » d’une théorie.

*

L’univers nous cache quelque chose. Nous le savons depuis 1930, quand Fritz Zwicky a braqué le télescope Hooker de 2,50 mètres sur l’amas de Coma, quelques centaines de galaxies reliées entre elles par leur propre force gravitationnelle. Les galaxies se déplacent à une vitesse moyenne déterminée par la masse totale qui les relie. À son grand étonnement, Zwicky a découvert qu’elles se déplaçaient plus vite que ne pouvait l’expliquer leur masse combinée. Il a suggéré que l’amas contenait de la matière supplémentaire invisible, qu’il a baptisée « dunkle Materie » ‒ la matière noire.

Cette dernière n’est pas la seule bizarrerie dissimulée dans le firmament. Quand Vera Rubin, quarante ans plus tard, étudia la rotation des galaxies en spirale, elle s’aperçut que leurs étoiles extérieures orbitaient plus vite que prévu autour du centre. C’était la même chose dans chacun des plus de soixante cas qu’elle analysa. La vélocité dont une étoile a besoin pour rester sur une orbite stable dépend de la masse totale au centre de son mouvement, et si les bras extérieurs des galaxies tournaient aussi vite, c’était parce que les galaxies devaient contenir plus de matière que ce qui était visible. Elles devaient contenir de la matière noire.

Au fil des expériences, les preuves se sont accumulées, il se passait des choses du même ordre partout dans l’univers. Les fluctuations du fond diffus cosmologique ne correspondent aux données que quand on ajoute la matière noire. La matière noire est également nécessaire si l’on veut que la formation des structures galactiques dans l’univers corresponde à nos observations. Sans matière noire, l’univers ne ressemblerait tout simplement pas à ce que l’on observe. Une preuve supplémentaire en est fournie par la lentille gravitationnelle, la distorsion de la lumière causée par la courbure de l’espace-temps. Les amas de galaxies courbent la lumière plus que ne peut l’expliquer leur masse visible. Il doit y avoir là quelque chose d’autre pour courber si fortement l’espace-temps.

La première supposition quant à ce quelque chose d’autre a été que les galaxies contenaient un grand nombre d’objets stellaires difficiles à voir, comme des trous noirs ou des naines brunes. Mais ceux-ci devraient également être présents dans notre galaxie et provoquer un effet fréquent de lentille gravitationnelle, ce qui n’a pas été observé. L’idée que la matière noire se compose d’objets ultra-compacts avec des masses nettement inférieures à celle d’une étoile classique n’a pas été totalement écartée parce que ces objets entraîneraient une courbure suffisante de la lumière pour causer une lentille gravitationnelle observable. De toute façon, on ne sait cependant pas vraiment comment de tels objets se seraient formés. Par conséquent, actuellement, les physiciens penchent en faveur d’un autre type de matière noire.

L’explication qui a attiré le plus d’attention postule que la matière noire est faite de particules qui se regroupent en nuages et flottent autour des disques visibles de matière galactique en composant des halos presque sphériques. Les neutrinos sont des exceptions, mais ils sont trop légers, se déplacent trop rapidement et ne s’amassent pas assez. Donc, quelle que soit la particule dont est constituée la matière noire, elle doit être quelque chose de nouveau.

*

La deuxième règle, si l’on veut inventer une particule, c’est qu’il vous faut expliquer pourquoi on est sur le point de la découvrir, parce que sinon, personne ne s’en souciera. L’explication en question n’a pas à être bonne ‒ dans le secteur, tout le monde ne demande qu’à vous croire, de toute façon. En revanche, il faut donner à votre public une explication qu’il peut reproduire. Le moyen le plus courant de le faire est de rechercher des coïncidences numériques, puis d’affirmer qu’elles indiquent l’existence d’une nouvelle physique pour une expérience planifiée, à l’aide d’expressions comme « explication naturelle » ou « lien suggestif ». Si votre idée ne produit pas une coïncidence de ce genre, ne vous inquiétez pas, passez à l’idée suivante. Ne serait-ce que statistiquement, vous finirez par trouver une correspondance.

Le « miracle WIMP » est une de ces coïncidences numériques particulièrement heureuses qui servent en grande partie de moteur à la recherche en astrophysique. WIMP veut dire « weakly interacting massive particle », particule massive à faible interaction*. Ces particules sont aujourd’hui les candidats les plus populaires pour la matière noire, entre autres parce qu’elles peuvent facilement être intégrées dans les théories supersymétriques. À partir de leur masse et de leur taux d’interaction, nous pouvons estimer combien de WIMP auraient été produites dans l’univers primitif, ce qui donne à peu près la quantité correcte de matière noire, proche de la valeur mesurée de 23 %. C’est cette relation que l’on appelle le miracle WIMP.

D’après l’astrophysicienne Katherine Freese, le miracle WIMP est « la principale raison pour laquelle les WIMP sont si sérieusement considérées comme des candidates pour la matière noire5 ». Jonathan Feng, lui aussi un chercheur réputé dans le domaine, trouve cette correspondance numérique « extrêmement tentante », et d’autres reconnaissent que cela « a été la motivation théorique première dans le domaine depuis de nombreuses années6 ». Et elle a aussi servi de motivation à des expériences.

Puisque nous connaissons la masse totale que la matière noire ajoute à la Voie lactée, nous pouvons estimer combien de particules de matière noire d’une masse individuelle donnée doivent passer à travers nous. Un chiffre énorme : pour une masse classique de WIMP de 100 GeV, environ 10 millions de WIMP traversent à chaque seconde la paume de votre main. Mais il est très rare qu’elles interagissent : selon une estimation optimiste, 1 kilogramme de matériel de détection interagit avec une WIMP par an7.

Or, rarement ne veut pas dire jamais. Nous pourrions trouver des preuves de la présence des WIMP en analysant de près de grandes quantités de matériel protégé de toutes les autres interactions des particules. De temps à autre, une particule de matière noire entrerait en collision avec un des atomes du matériel et laisserait derrière elle un petit peu d’énergie. Actuellement, les expérimentalistes recherchent trois traces possibles de cette énergie : l’ionisation (l’expulsion d’électrons des atomes, qui laisse derrière elle une charge), la scintillation (qui pousse l’atome à émettre un éclair de lumière), et les phonons (chaleur ou vibration). Ces expériences, excessivement sensibles, se déroulent souvent en sous-sol, où la plupart des particules des radiations cosmiques sont filtrées par la roche environnante.

Ce sont Mark Goodman et Edward Witten qui, en 1985, ont été les premiers à suggérer que l’on pouvait rechercher les rares interactions de la matière noire8. Au début, la quête des particules de matière noire a commencé plutôt par hasard : des expérimentalistes qui travaillaient avec un détecteur développé à l’origine pour attraper des neutrinos ont signalé en 1986 les premiers « liens intéressants sur la matière noire galactique et sur les bosons de lumière émis par le soleil9 ». En bon français, des « liens intéressants », ça veut dire qu’ils n’ont rien trouvé du tout. À l’époque, diverses autres expériences sur les neutrinos ont obtenu des liens intéressants.

Au début des années 1990, la matière noire a eu droit à sa première expérience à part entière, COSME. Puis d’autres détecteurs, bénéficiant de l’attention que suscite la supersymétrie, ont été déployés rapidement et en grand nombre : NaI32, BPRS, DEMOS, IGEX, DAMA et CRESST-I10. Lesquels ont accouché d’autres liens intéressants. Au milieu des années 1990, EDELWEISS a obtenu « la limite la plus stricte basée sur l’observation de zéro événement11 ».

Ce qui pourrait simplement vouloir dire que la particule que nous recherchons interagit plus faiblement que prévu. Donc, d’autres expériences ont été mises en œuvre : ELEGANTS, CDMS, Rosebud, HDMS, GEDEOn, GENIUS, GERDA, ANAIS, CUORE, XELPLin, XENON 10 et XMASS. CRESST I a été modernisée en CRESST II. CDMS est devenue SuperCDMS. ZEPLIN I est passée au stade II, puis III. Toutes ont fourni des liens intéressants. Et de nouveaux détecteurs encore plus sensibles sont entrés en action : CoGeNT, ORPHEUS, SIMPLE, PICASSO, MAJORANA, CDEX, PandaX et DRIFT. En 2013, XENON100 ‒ entre-temps sur la trace d’une probabilité d’interaction 100 000 fois plus petite qu’envisagée à l’origine ‒ rapporta n’avoir trouvé « aucune preuve d’un signal de la matière noire12 ». XENON100 est ensuite devenu XENON1T. D’autres expériences sont en cours de développement.

Trente ans ont passé. La matière noire n’a toujours pas été détectée. Mais depuis, la gamme de paramètres dans laquelle se produit le miracle WIMP a été exclue13.

Attendre et espérer

Je suis obligée de me rappeler que la science a besoin de patience, et je me plonge dans Internet, à la recherche d’une source d’optimisme juvénile et d’énergie. Twitter me propose Katherine « Katie » Mack, plus connue sous son surnom, « Astrokatie ».

Astrokatie est devenue une star sur Twitter quand une de ses répliques pleine d’esprit a été retweetée par J. K. Rowling. Je consulte le fil de Katie. On y trouve un selfie avec un chat, une photo avec Brian Cox, l’enregistrement d’une interview d’elle à la télévision, et beaucoup, beaucoup de réponses à des questions sur l’astrophysique. Si vous avez besoin d’un avis professionnel sur la présence d’eau sur Mars ou sur les dernières recherches dans le domaine de la matière noire, vous pouvez compter sur Astrokatie. Si vous voulez des informations sur les ondes gravitationnelles ou sur l’exoplanète découverte la semaine dernière, c’est à elle qu’il faut demander. Et si vous cherchez quelqu’un pour prendre la parole sur le sexisme et le harcèlement dans les sciences, elle sera là aussi : elle utilise son rayonnement sur Twitter pour attirer l’attention sur la sous-représentation des minorités et des femmes dans les sciences, un problème sur lequel la plupart des scientifiques préfèrent fermer les yeux.

Ça, c’est une scientifique moderne, me dis-je, et je lui envoie un message.

Si elle est aujourd’hui une personnalité publique, Katie est avant tout une astrophysicienne professionnelle, post-doctorante à l’université de Melbourne, en Australie. Quand nous nous entretenons sur Skype, elle porte une veste ornée du blason de la NASA, et je n’ai jamais rien vu de plus classe. Je l’interroge sur son domaine de recherche, qu’elle me résume comme suit : « J’ai travaillé sur beaucoup de choses que la matière noire n’est probablement pas. »

« Qu’est-ce qui rend un modèle attirant ? demandé-je.

‒ Pour les trucs que je fais, ce qui rend un modèle intéressant, c’est de savoir s’il a des conséquences que l’on peut trouver, déclare-t-elle. J’ai une approche très pratique des théories. Ce qui m’intéresse, ce sont les nouveaux modèles vraiment fascinants, mais seulement s’ils ont des conséquences que l’on peut tester.

» Quand je préparais ma thèse, je travaillais sur les axions. Les axions ont toujours été mes modèles préférés pour la matière noire parce qu’ils jouent un rôle si important dans tant de choses. Ils viennent [de l’interaction forte] et ensuite, ils collent avec la cosmologie, et aussi avec la théorie des cordes. D’un point de vue théorique, je pense que les axions sont les candidats les plus séduisants pour la matière noire parce qu’il n’y a pas besoin de les faire surgir de nulle part, ils viennent d’ailleurs, et ça, c’est ce qui me semble être le mieux. »

*

Après les WIMP, les axions sont les candidats les plus populaires pour la matière noire. L’axion original, inventé pour résoudre un problème d’ajustement avec l’interaction forte (le problème CP fort), a été écarté presque aussi vite qu’il avait été avancé. La théorie a alors été amendée pour que l’axion n’interagisse que très faiblement. Parfois explicitement décrit comme l’« axion invisible », la nouvelle particule est difficile à détecter, mais elle constitue aussi un bon candidat pour la matière noire.

Les axions invisibles, s’ils existent, seraient produits dans l’univers primitif. Ils peuvent être créés dans des états de très faible énergie, puis former un condensat stable qui se répand dans l’univers. Ce pourrait être la matière noire que nous observons. Mais les axions n’ont pas de miracle qui joue en leur faveur, et si vous voulez que leur densité corresponde à celle de la matière noire, alors il vous faut ajuster comment ils ont démarré dans l’univers primitif14. Ce qui les rend moins séduisants que les WIMP. Quoi qu’il en soit, les physiciens des particules les apprécient parce qu’ils embellissent l’interaction forte.

Plusieurs des expériences avec les WIMP que nous avons évoquées sont également sensibles aux axions et ont fourni des liens intéressants. Mais contrairement aux WIMP, les axions se couplent aux champs électromagnétiques, ne serait-ce que faiblement, et peuvent par conséquent être détectés en établissant de puissants champs magnétiques, qui transformeraient en photons une petite fraction des axions en approche. Grâce à cette méthode, l’Axion Dark Matter Experiment (ADMX) recherche les axions de la matière noire depuis 1996. L’Axion Solar Telescope du CERN (CAST), qui a commencé à collecter des données en 2003, guette les axions produits dans le Soleil à des énergies nettement supérieures à celle des axions de la matière noire. D’autres expériences, comme ALPS-I et ALPS-II, PVLAS et OSQUAR, tentent d’observer le processus inverse ‒ des photons qui se transforment en axions ‒ en étudiant de près le comportement de la lumière dans les champs magnétiques. Jusqu’à présent, aucune de ces expériences n’a trouvé quoi que ce soit.

*

Katie me dit : « Malheureusement, durant mes travaux sur ma thèse, je n’ai pas pu trouver de façons efficaces de faire fonctionner les axions sans un ajustement ici ou là. Ce qui rendait la chose moins amusante. Parce que le problème que l’axion résout, le problème CP fort, est un problème d’ajustement. Donc, si vous créez un nouveau problème d’ajustement, tout ce que vous faites, c’est passer à un nouveau régime.

‒ Quel est le problème avec l’ajustement ? demandé-je à Katie.

‒ En général, l’ajustement nous montre qu’il y a quelque chose de non naturel dans nos théories. Si on se retrouve avec un nombre vraiment très petit, il faut admettre qu’on a beaucoup, beaucoup de chance. Et ça, ça n’est jamais attirant. On a toujours l’impression qu’il doit y avoir une autre explication. Dans d’autres cas, quand il y a eu un ajustement, il y a toujours eu une explication et, en fin de compte, il s’est avéré que ce n’était pas de l’ajustement.

‒ Vous dites que vous avez vraiment de la chance, mais comment peut-on affirmer quelque chose sur la probabilité sans avoir une répartition de probabilité ? dis-je.

‒ Eh bien, on ne peut pas. C’est juste une question d’esthétique chez les théoriciens, constate-t-elle. S’il y a un petit nombre, ils n’aiment pas ça. C’est beaucoup plus séduisant de se retrouver avec un nombre proche de 1. Il n’y a aucune raison impérieuse qui veuille que ce soit comme ça, que toutes nos constantes soient d’ordre 1. C’est simplement comme ça que nous approchons de nos théories. Ce n’est pas vraiment le rasoir d’Occam parce que ça ne simplifie rien, mais on en a l’impression.

‒ C’est quelque chose que font les gens, mais devrait-on le faire ? »

Elle répond : « Si vous fondez l’unique raison de l’existence d’une nouvelle particule sur la résolution d’un problème d’ajustement, alors, il faut effectivement le résoudre. Mais n’étant pas personnellement quelqu’un qui construit des modèles, je n’ai pas tant que ça besoin de m’impliquer là-dedans. Alors, je suis un peu une agnostique. En revanche, je crois bel et bien que le naturel est simplement plus attrayant. Et si l’on se fonde sur la physique théorique déjà réalisée auparavant, il semble bien qu’user de la simplicité comme d’un guide est un bon principe pour démarrer. Donc, j’éprouve de la sympathie pour le souci du naturel. Mais je ne m’en sers pas pour faire de grandes déclarations, et je n’en ai pas besoin. Et c’est bien.

‒ Le multivers est-il une option ?

‒ Je déteste le multivers, lâche Katie. Je sais, c’est un cliché de détester le multivers, mais c’est un fait. Je suppose qu’il a quelque chose d’élégant, parce qu’on ne peut pas se contenter de renoncer à essayer d’en comprendre les paramètres. Mais ce que je n’aime pas, c’est qu’il est difficile à tester, et je le trouve laid. C’est brouillon, désordonné, et on s’y retrouve comme par hasard, obligé de faire appel au principe anthropique… Je n’aime vraiment pas ça. Je n’ai pas de bons arguments à y opposer, mais je ne l’aime vraiment pas.

‒ Que pensez-vous des récentes données du LHC, qui nécessitent apparemment un ajustement de la masse du boson de Higgs ?

‒ Je ne travaille pas activement dessus, donc, je n’en connais ni les défis ni les contraintes. Moi, je suis juste là, à attendre et espérer. Mais je serais vraiment surprise si c’étaient juste des tonnes d’épicycles les uns après les autres pour faire en sorte que tout fonctionne. Certains indices nous montrent qu’il nous faut une physique nouvelle, et manifestement, la supersymétrie ne va pas marcher. Mais je suis une optimiste. Je me dis qu’on va trouver quelque chose pour remplacer la supersymétrie qui ne sera pas accordé artificiellement.

» La masse du boson de Higgs, ça m’inquiète dans la mesure où je ne sais pas ce qui va se passer. J’ai entendu des gens dire que c’est le scénario du pire. Mais je ne crois pas qu’on va se retrouver dans une impasse. Je crois que je fais simplement confiance à la capacité des physiciens des particules de développer de nouvelles idées et de nouveaux modèles. Je ne trouve pas ça déprimant, je trouve ça passionnant ‒ on est là, face à ce grand mystère.

» Peut-être qu’il n’y a rien de plus beau que le modèle standard et qu’après tout devient plus moche, mais, viscéralement, je sens que nous allons trouver un moyen de simplifier le tableau, trop fouillis, en quelque chose de plus unifié. C’est ce que j’ai toujours aimé dans la physique : ce besoin de révéler la belle vue d’ensemble qui regroupe les choses qui ne collent pas.

‒ Les expériences de détection de la matière noire n’ont rien trouvé. Ça vous inquiète ?

‒ Elles n’ont pas identifié la particule, mais je ne me fais pas trop de souci, répond Katie. Je pense que la preuve que la matière noire est une particule dotée de certaines propriétés s’est juste améliorée. Nous avons des contraintes plus fortes maintenant, les choses deviennent plus difficiles à trouver, et ça, c’est casse-pieds. Mais avec l’idée que c’est une particule, tout colle. Ce qui est intrigant, c’est de savoir ce que ça pourrait être. Je m’inquiéterais de la possibilité que la matière noire ne soit pas une particule s’il y avait un modèle différent qui correspondait lui aussi aux données.

‒ En tout cas, il y a des gens qui affirment que la gravité modifiée peut être la même chose, mentionné-je.

‒ Ce n’est pas très convaincant. Je n’ai jamais rien vu qui suggère que [la matière noire en tant que particule] ne va pas. Et je n’ai jamais rien vu qui suggère que la modification de la gravité aille tellement mieux. Je pense que les particules sont plus simples que l’addition de champs. Si la gravité modifiée correspondait mieux aux données, ça m’intéresserait. »

*

Pour expliquer les données cosmologiques existantes, nous devons partir du principe que l’univers contient deux nouveaux composants pour l’instant inexpliqués. L’un d’eux est l’énergie noire. L’autre est généralement attribué à la matière noire en tant que particule, décrite collectivement comme un fluide. Néanmoins, un effet exactement semblable à ce fluide pourrait aussi être dû au fait que la réaction de la gravité à la matière ordinaire ne correspond pas à ce que prédisent nos équations.

Mais il est plus difficile de modifier la gravité que d’ajouter des particules au modèle standard. Une modification de la gravité serait présente partout, alors que des particules pourraient se trouver dans une certaine quantité à un endroit, et ailleurs dans une autre quantité. La matière noire en tant que particule est par conséquent plus flexible.

Peut-être trop. Les astrophysiciens ont découvert parmi les galaxies des régularités que la matière noire en tant que particule ne peut pas expliquer, comme la « relation Tully-Fisher » ‒ une corrélation observée entre la luminosité d’une galaxie et la vélocité de ses étoiles les plus extérieures. Et la matière noire en tant que particule pose d’autres problèmes. Elle prédit par exemple que la Voie lactée devrait avoir davantage de galaxies satellites que celles que nous avons observées, et elle ne fournit aucune explication quant au fait que celles que nous avons observées semblent presque toutes être sur un même plan. De plus, les centres des galaxies ne sont pas corrects avec la matière noire en tant que particule. La densité de la matière devrait être plus élevée dans les centres que nous observons.

Ces défauts sont peut-être dus à des processus astrophysiques qui n’ont pas encore été correctement intégrés au modèle de concordance. Ce serait intéressant, mais ça ne modifierait pas les fondations de la physique. Ou alors, peut-être ces défauts nous révèlent-ils que la matière noire en tant que particule n’est pas la bonne explication.

La première tentative de modification de la gravité, connue sous le nom de dynamique newtonienne modifiée, ou théorie MOND, ne respectait pas les symétries de la relativité générale, ce qui ne prêchait guère en sa faveur15. Des versions plus récentes de la gravité modifiée respectent les symétries de la relativité générale tout en parvenant quand même à mieux expliquer les régularités galactiques observées que la matière noire en tant que particule16. Mais elles ne fonctionnent pas très bien pour des distances très inférieures ou très supérieures aux dimensions galactiques.

La solution se situe peut-être quelque part entre les deux. Il y a quelques années, un groupe de chercheurs a avancé l’idée que la matière noire était un superfluide, qui, à des échelles plus courtes, ressemblerait à la gravité modifiée, mais à des échelles supérieures, permettrait la flexibilité de la matière noire en tant que particule17. Cette idée associe les avantages des deux, et aucun de leurs désavantages.

Et malgré la différence de terminologie, les mathématiques de la gravité modifiée et celles de la matière noire en tant que particule sont pratiquement les mêmes. Comme le dit Katie, pour la gravité modifiée, on ajoute de nouveaux champs, jusque-là inobservés. Pour la matière noire, on ajoute de nouvelles particules, jusque-là inobservées. Mais les particules sont décrites par des champs, donc, la différence est minuscule. Ce qui distingue les deux approches, c’est le type de champs et la façon dont ils interagissent avec la gravité. Pour un physicien des particules, les champs de la gravité modifiée présentent des propriétés atypiques. Ils ne sont pas familiers. Ils ne sont pas beaux. Donc, la gravité modifiée est restée une idée en marge de la communauté. La gravité modifiée ne compte que quelques dizaines de partisans, alors que des milliers travaillent sur les WIMP et les axions.

Actuellement, la gravité modifiée ne peut pas correspondre à toutes les données cosmologiques et en même temps au modèle de concordance. Cela s’explique peut-être par le fait qu’il ne faut justement pas modifier la gravité. Ou alors par le fait qu’il y a si peu de gens qui tentent de la faire correspondre.

*

« Alors, me demande Katie à la fin de notre conversation, qu’est-ce que vous en pensez ? On va trouver des modèles plus simples et plus beaux ? »

Je m’aperçois que de tous les gens avec qui je me suis entretenue, elle est la première à me demander mon opinion. Heureusement que les autres n’en ont rien fait, parce que je suis incapable de répondre.

Mais au fil de mes voyages, j’ai pris conscience du fait que ce qui me manque, ce n’est pas la raison pour laquelle mes collègues se reposent sur la beauté. Car il n’y a pas de raison, tout simplement. J’ai beau vouloir croire que les lois de la nature sont belles, je ne pense pas que notre sens de la beauté soit un bon guide. En revanche, elle nous a détournés d’autres questions plus pressantes. Comme celle que Steven Weinberg a mise en exergue : que nous ne comprenons pas l’émergence du monde macroscopique. Ou, comme me l’a rappelé Xiao-Gang Wen, que nous ne comprenons pas la théorie quantique des champs. Et comment la question du multivers et du naturel montre que nous ne comprenons pas ce que veut dire qu’une loi de la nature est probable.

Alors, je réponds à Katie que, oui, je pense que la nature a encore de la beauté en réserve pour nous. Mais la beauté, comme le bonheur, ne peut se trouver en se lamentant sur son absence.

Champs faibles et cinquièmes forces

Il y a encore une façon de postuler l’existence d’une nouvelle physique, puis de la dissimuler : il faut introduire des champs qui ne deviennent importants soit qu’à de très longues distances, soit dans l’univers le plus primitif, l’un et l’autre étant difficiles à tester. De telles inventions sont acceptables de nos jours parce qu’elles aussi expliquent les coïncidences numérologiques.

Dans la relativité générale, la constante cosmologique (CC) est un paramètre libre. Cela signifie qu’il n’y a pas de principe plus profond à partir duquel calculer la constante ‒ elle doit être fixée par les mesures. L’expansion accélérée de l’univers montre que la CC est positive et que sa valeur est liée à une échelle d’énergie comparable à la masse du plus lourd neutrino connu. Autrement dit, pour les physiciens des particules, c’est une très petite échelle d’énergie (voir figure 14)18.

Si la CC est non nulle, un espace-temps qui ne contient aucune particule n’est plus plat. La constante cosmologique est par conséquent souvent interprétée comme un vide avec une densité d’énergie et une pression non nulles.

La relativité générale ne nous dit rien de la valeur de la CC. En théorie quantique des champs, cependant, nous pouvons calculer la densité d’énergie du vide ‒ et elle se révèle infiniment grande. Mais en l’absence de gravité, cela n’a aucune importance : nous ne mesurons jamais les énergies absolues de toute façon, seulement les différences d’énergie. Dans le modèle standard sans gravité, nous pouvons donc utiliser des procédures mathématiques appropriées pour supprimer l’infinité et obtenir un résultat physiquement significatif.

Mais en présence de gravité, la contribution infinie devient physiquement importante, parce qu’elle entraînerait une courbure infinie de l’espace-temps. Ce qui n’a clairement aucun sens. Heureusement, quand on y regarde de plus près, on s’aperçoit que l’énergie du vide n’est illimitée que si on extrapole le modèle standard jusqu’à des énergies infiniment hautes. Et puisque l’on s’attend à ce que cette extrapolation ne soit pas valide à l’énergie de Planck (au plus tard), l’énergie du vide devrait au contraire être une puissance de l’énergie de Planck. C’est mieux ‒ au moins, c’est fini. Mais ça reste encore beaucoup trop grand pour être compatible avec l’observation. Une constante cosmologique aussi grande nous aurait désintégrés ou aurait provoqué un effondrement de l’univers sur lui-même il y a longtemps.

Toutefois, nous pouvons simplement choisir la constante libre dans la relativité générale de telle façon que, quand on l’ajoute à la contribution de la théorie quantique des champs (quoi que cela puisse être), le résultat correspond à l’observation. Donc, si l’on s’attend à ce que la somme se situe quelque part au niveau de l’énergie de Planck, c’est parce que l’on se repose, une fois de plus, sur l’argument du naturel. Si nous étions capables d’effectuer le calcul, du moins, c’est ce que l’on dit, il serait peu probable que l’on trouve deux grands nombres qui s’annulent presque, mais pas exactement, ne laissant derrière eux que la petite valeur que nous mesurons.

Par conséquent, la constante cosmologique n’est pas naturelle, pour parler comme les physiciens. Elle nécessite un ajustement. Sa petite valeur n’est pas belle. Cette constante est tout à fait correcte, c’est juste que les physiciens ne l’aiment pas.

On pourrait croire qu’une constante serait la supposition la plus simple dont puisse disposer une théorie. Mais la conviction que la valeur de la CC requiert une explication sert de prétexte aux théoriciens pour concevoir de nouvelles lois de la nature. Weinberg a été le premier à le faire avec le principe anthropique, et une partie de la communauté est aujourd’hui occupée à inventer des répartitions de probabilité pour le multivers. Une autre façon éprouvée d’expliquer la valeur d’une constante consiste à la rendre dynamique, afin qu’elle puisse changer avec le temps. Habilement agencée, la constante dynamique peut préférer une petite valeur, ce qui est censé expliquer quelque chose. Ce sont des versions généralisées de la CC de ce genre que l’on appelle l’énergie noire.

Si l’énergie noire n’est pas qu’une CC, alors l’accélération de l’univers change légèrement avec le temps. Rien ne le prouve. Mais il existe une littérature abondante sur des champs d’énergie noire conjecturés, comme les champs caméléons, les champs dilatons, les modules, les champs fantômes, les cosmons et la quintessence. Des expériences sont en préparation.

Et ce ne sont pas les seuls champs invisibles avec lesquels jouent les cosmologistes. Il y a aussi l’inflaton, ce champ qui sert à gonfler l’univers primitif.

*

L’inflation, l’expansion rapide de l’univers juste après le Big Bang, est une extrapolation courageuse dans le passé, jusqu’à l’époque où la densité de la matière était beaucoup plus élevée que les densités que nous avons explorées.

Mais pour effectuer des prédictions venant de l’inflation, il faut d’abord préciser ce que fait l’inflaton, le champ inventé pour que se produise l’inflation. Pour cela, l’inflaton doit être doté d’une énergie potentielle, qui dépendra de plusieurs paramètres. Une fois qu’une énergie potentielle est choisie, on peut utiliser l’inflation pour calculer la répartition des fluctuations de densité dans l’univers primitif. Le résultat dépend des paramètres de l’énergie potentielle, et pour certains des modèles les plus simples, le calcul correspond bien à l’observation19. Les mêmes modèles d’inflation s’accordent également avec d’autres propriétés observées du fond diffus cosmologique20.

L’inflation est donc utile pour relier des paramètres observés à un modèle mathématique sous-jacent. Cependant, les prédictions dépendent de l’énergie potentielle de l’inflaton. Nous pourrions en choisir une qui corresponde aux données actuelles, puis la réviser au besoin, mais cela ne suffirait pas à occuper les cosmologistes. Alors, ils s’attellent avec ardeur à la production de modèles d’inflation, et pour chacun d’entre eux, ils calculent des prédictions pour des mesures qui n’ont pas encore été effectuées.

En 2014, un recensement a dénombré 193 énergies potentielles pour l’inflaton, et encore ne s’agissait-il que de celles à un seul champ21. Mais la capacité des théoriciens à fabriquer des modèles qui prédisent toutes les observations futures possibles a juste démontré qu’ils ne pouvaient rien prédire du tout. Ces modèles sont gravement « sous-déterminés », comme le diraient les philosophes. Ils ne contiennent pas assez de données pour permettre d’extrapoler sans ambiguïté22. On peut construire un modèle à partir des mesures actuelles, mais on ne peut pas prédire de manière fiable les résultats de mesures futures.

C’est cette réalité qui a fait dire à Joe Silk que « l’on peut toujours trouver des modèles inflationnistes pour expliquer n’importe quel phénomène représenté par le parfum du mois23 ». Et dans un article pour le Scientific American, les cosmologistes Anna Ijjas, Avi Loeb et Paul Steinhardt se sont plaints que du fait du grand nombre de modèles « la cosmologie inflationniste, telle que nous la comprenons aujourd’hui, ne peut être évaluée par la méthode scientifique24 ».

Au risque de vous effrayer, il reste à étudier un nombre infini d’énergies potentielles de l’inflaton. Et, bien sûr, on peut aussi utiliser plusieurs champs, ou d’autres champs. Il y a toute la place qu’il faut pour laisser libre cours à sa créativité.

Selon l’évaluation actuelle des théories, c’est là ce qui se fait de mieux dans le domaine de la recherche.

*

Nous sommes à la mi-avril, à Wuppertal, à quelques kilomètres au nord de Cologne, en Allemagne. Je m’étais attendue à un hôtel ou un institut, mais l’adresse correspond à une maison en banlieue. Il y a un petit jardin fleuri devant. Du lierre grimpe autour de la porte d’entrée. Je sonne, et une femme qui a à peu près mon âge m’ouvre.

« Oui ? fait-elle.

‒ Bonjour, balbutié-je, euh, je suis Sabine. »

Elle a l’air perplexe.

« Je cherche George Ellis ? précisé-je.

‒ C’est mon père. Mais il est au Cap. »

Elle me fait entrer et passe un coup de fil.

« Oh mon Dieu, s’exclame George au téléphone depuis un bus, mais elle a deux semaines d’avance ; »

*

Nous sommes à la fin du mois d’avril, à Wuppertal. Même rue, même maison, même lierre. Je sonne à la porte, espérant ne pas avoir une fois encore fait quatre heures de route juste pour déranger une inconnue et m’en retourner chez moi.

À mon grand soulagement, c’est George qui m’ouvre. « Bonjour », me dit-il, avant de me guider jusqu’à une cuisine baignée de la lumière du soleil. Les murs sont décorés de dessins d’enfants.

George Ellis, professeur émérite à l’université du Cap, est une des figures de proue de la cosmologie. Vers le milieu des années 1970, il a écrit, avec Stephen Hawking, The Large Scale Structure of Space-Time (La Structure à grande échelle de l’espace-temps), toujours une référence dans la discipline de nos jours25. Dès 1975, il étudiait la question de ce que l’on peut tester en cosmologie, longtemps avant que le multivers n’attire l’attention de tout le monde sur ce sujet26. Mais les intérêts de George ne se cantonnent pas à la cosmologie. Il a également exploré l’émergence dans les systèmes complexes ‒ non seulement en physique, mais aussi en chimie et en biologie ‒, et la philosophie ne lui fait pas peur non plus. Il aime avoir une vue d’ensemble. Et ces derniers temps, il n’aime pas trop ce qu’il voit.

« Qu’est-ce qui vous inquiète ? commencé-je.

‒ Il y a aujourd’hui des physiciens qui disent que nous n’avons pas besoin de tester leurs idées parce qu’elles sont si merveilleuses », déclare-t-il. Assis en face de moi à la table, il se penche et me fixe. « Ils disent ‒ explicitement ou implicitement ‒ qu’ils veulent contourner l’obligation de tester les théories. » Il marque une pause et se redresse, comme pour être sûr que je comprends la gravité de la situation. « De mon point de vue, c’est un retour en arrière d’un millier d’années, poursuit-il. Vous avez écrit là-dessus. Ce que vous dites est très proche de ce que je pense : c’est en train de saper la nature de la science. Je n’aime pas ça pour des raisons qui sont comme les vôtres, et pour d’autres qui sont très différentes.

» Les raisons qui sont les mêmes, je pense, c’est que la science a déjà bien assez de difficultés comme ça en ce moment, avec tout ce débat autour des vaccins, du changement climatique, des OGM, de l’énergie nucléaire, tout ça étant la manifestation du scepticisme que suscite la science. La physique théorique est censée être le socle rocheux, la roche la plus dure des sciences, elle est censée prouver qu’elle est totalement fiable. Et si nous commençons à assouplir les conditions là-dedans, je pense que les implications sont très graves pour les autres.

» Et il y a aussi des raisons très différentes qui font que je m’y intéresse, des raisons qui, je pense, ne vont peut-être pas autant vous plaire ‒ à savoir, quelles sont les limites de la science en relation avec la vie humaine ? Que peut faire la science, et que ne peut-elle pas faire ? Que peut-elle nous dire sur les valeurs humaines, sur la valeur et la détermination ? Je pense que c’est très important pour la relation qu’a la science avec la société dans son ensemble. »

Comment cela pourrait-il me déplaire ? Je le laisse continuer.

« Si les gens rejettent les sciences, c’est [en grande partie] parce que des scientifiques comme Stephen Hawking et Lawrence Krauss et d’autres disent que la science démontre que Dieu n’existe pas, et ainsi de suite ‒ ce que la science ne peut pas prouver, mais ça cause une certaine hostilité vis-à-vis des sciences, en particulier aux États-Unis.

» Si vous vivez dans le Middle West, que toute votre vie et toute votre communauté sont bâties autour de l’Église, et qu’un scientifique débarque et vous dit : “Débarrassez-vous de ça”, il a plutôt intérêt à avoir des arguments solides pour étayer ce qu’il dit. Or, il y a 250 ans, David Hume a déjà dit que la science ne peut ni confirmer ni infirmer l’existence de Dieu. C’était un philosophe très prudent, et à ce sujet-là, rien n’a changé depuis cette époque. Ces scientifiques sont de mauvais philosophes.

» Mais ce n’est sans doute pas ça qui vous intéresse. »

Que les scientifiques soient de mauvais philosophes n’a rien de nouveau pour moi ‒ après tout, j’en suis une, moi aussi. Mais, dis-je : « Je ne vois pas bien le rapport avec l’évaluation basée sur la théorie.

‒ C’est de l’évaluation basée sur la théorie au sens où certains scientifiques font de grandes déclarations sur ce qu’est la science ‒ ce qu’elle peut prouver ou réfuter, m’explique George. Si Lawrence Krauss rapplique et lance que la science démontre l’impossibilité de tel ou tel aspect de la religion, s’agit-il d’une déclaration scientifique, ou d’une déclaration philosophique ? Et si c’est une déclaration scientifique, où est la démonstration ? Ils affirment qu’il s’agit d’une déclaration scientifique. Donc, c’est un domaine où, selon moi, nous ne sommes pas d’accord.

» Par exemple, Victor Stenger a écrit un livre, il y a un moment, où il assure que la science réfute l’existence de Dieu. On m’a demandé d’en rédiger une critique, et j’ai écrit : “J’ai ouvert ce livre plein d’espoir, impatient de voir quel était l’appareil expérimental qui avait abouti à ce résultat, à quoi ressemblaient les données, si c’était un résultat trois sigmas ou cinq sigmas.” » Il a un rire bref. « Bien sûr qu’il n’y a aucune expérience de ce genre. Il y a des scientifiques qui n’ont pas compris les bases de la philosophie, comme les travaux de David Hume et Emmanuel Kant.

» C’est lié à l’évaluation basée sur la théorie, parce que la science n’a rien à dire sur les questions philosophiques, mais ils prétendent que si. La science produit des faits qui ont un rapport avec des questions philosophiques, mais il y a une frontière entre la science et la philosophie qui doit être respectée. Et j’ai passé pas mal de temps à réfléchir là-dessus. »

Moi aussi, même si c’est pour d’autres raisons. Le respect de la frontière entre la science et la philosophie, me dis-je, pourrait aider les physiciens à faire la distinction entre les faits et la croyance. Et je ne vois pas où est la différence entre le fait de croire que la nature est belle et celui de croire que Dieu est bon.

« Pour revenir à la physique, dis-je, vous vous inquiétez de la voie dans laquelle elle s’est engagée ?

‒ Oui… Vous avez sans doute jeté un œil sur le livre sur les multivers du théoricien des cordes de Columbia ?

‒ Brian Greene ?

‒ Oui. Il a ces neuf multivers. Neuf ; Et les arguments sur lesquels il s’appuie sont sur une pente savonneuse. Donc, d’un côté, vous avez Martin Rees qui dit que l’univers ne s’arrête pas à notre horizon visuel, et donc, en un sens, c’est un multivers. Et je suis évidemment d’accord. Et un peu plus loin, vous avez l’inflation chaotique d’Andreï Linde, avec son nombre infini d’univers-bulles. Et encore plus loin, par là-bas, vous avez le paysage de la théorie des cordes, où la physique est différente dans chaque bulle. Et encore plus loin, vous tombez sur le multivers mathématique de Tegmark. Et après, très loin là-bas, vous trouvez des gens comme [Nick] Bostrom qui affirment que nous vivons dans une simulation sur ordinateur. Ce n’est même pas de la pseudoscience, c’est de la fiction. »

J’interviens : « C’est la version moderne de l’univers vu comme une horloge, en gros. À l’époque, c’étaient des rouages et des boulons, aujourd’hui, ce sont des ordinateurs quantiques. »

« Oui, opine George. Mais vous voyez, Brian Greene, dans son livre, dit que c’est une possibilité. Et quand des gens écrivent que des choses pareilles sont des possibilités scientifiques, moi, je me demande : jusqu’où peut-on avoir confiance dans ce qu’ils pensent ? C’est tout simplement ridicule ; Et dans ce cas, y a-t-il autre chose dans ce qu’ils disent qui n’inspire pas confiance ? »

Je pense que contrairement à ce que pense George nous sommes tout à fait sur la même longueur d’onde.

« Pour moi, c’est important, parce que la confiance joue un grand rôle dans la science, poursuit George. Tiens, le LHC, j’ai confiance dans les gens qui procèdent aux expériences. Et la collaboration Planck, j’ai confiance en eux**. La confiance compte beaucoup dans les sciences. Et s’il y a des gens pour venir raconter qu’il est tout à fait possible qu’on vive dans une simulation, je ne peux pas avoir confiance en eux en tant que scientifiques, ni même en tant que philosophes. »

Lors des expériences, le LHC crée environ un milliard de collisions entre protons par seconde. C’est trop de données, même pour la capacité de calcul du CERN. Par conséquent, les événements sont filtrés en temps réel et mis au rebut sauf si un algorithme signale qu’ils sont intéressants. À partir d’un milliard d’événements, ce « mécanisme déclencheur » n’en conserve qu’entre 100 et 200 triés sur le volet27. Nous avons confiance dans les expérimentalistes, nous sommes sûrs qu’ils font ce qu’il faut. Nous n’avons pas le choix, car il est impossible que tous les scientifiques supervisent le moindre détail des travaux de tout le monde. C’est inimaginable ‒ nous n’arriverions jamais à rien. Sans la confiance mutuelle, la science ne peut pas fonctionner.

Pour moi, le fait que le CERN ait passé les dix dernières années à effacer des données qui détiennent la clé d’une nouvelle physique fondamentale, c’est ça, le scénario de cauchemar.

« Je ne suis pas contre le multivers, déclare George. Je suis simplement contre l’idée que l’on puisse soutenir que c’est une science établie. Si les gens disent ça, ils veulent se défaire des exigences de l’expérimentation.

» Le raisonnement qui les a menés à la proposition du multivers était sain. Mais maintenant, ils ont tant d’étapes à franchir pour y parvenir, qui les éloignent de la physique bien établie. Chaque étape a l’air d’être une bonne idée, mais ce sont toutes des extrapolations non vérifiées de la physique connue. Autrefois, on avançait une hypothèse, on vérifiait cette étape, puis on avançait une autre hypothèse et on la vérifiait, et ainsi de suite. Sans le retour à la réalité de l’expérience, on risque de s’engager dans la mauvaise voie.

‒ Mais c’est parce que les contrôles expérimentaux sont si difficiles, dis-je. Et ensuite, que faire pour avancer ?

‒ Je pense qu’il faut repartir et redémarrer avec quelques principes de base, me répond George. Il y a une chose que nous devons repenser, ce sont les fondations de la mécanique quantique, parce que derrière tout ça, il y a le problème de mesure de la mécanique quantique. Quand est-ce qu’une mesure est vraiment effectuée ? Quand, disons, un photon est émis, ou absorbé. Et comment le décrire ? On utilise la théorie quantique des champs. Mais si vous prenez n’importe quel livre sur la théorie quantique des champs, vous ne trouverez rien sur le problème de mesure. »

Je hoche la tête. « Ils se contentent de calculer les probabilités, mais ne discutent jamais de la manière dont les probabilités deviennent des résultats de mesure.

‒ Oui. Donc, il nous faut revenir en arrière et repenser le problème de mesure. »

George recommande également de ne pas travailler avec les infinités.

« Si les gens se mettent à parler des infinités, ça soulève toutes sortes de paradoxes, dit-il. En fait, j’ai déjà écrit à ce propos dans les années 197028. Le point que j’y soulève, c’est que l’ADN est un code fini, et donc, si la probabilité de la vie est non nulle, alors, dans un volume d’espace assez grand, vous finirez par avoir utilisé toutes les combinaisons possibles de codes génétiques, et vous allez vous retrouver avec un nombre infini de jumeaux génétiquement identiques. Vous voyez, si vous avez un univers infini, dès que la probabilité n’est pas zéro, ça vous donne un nombre infini de possibilités que tout se passe.

» La question de l’infini est une de mes pierres de touche, continue-t-il. Hilbert écrivait déjà sur la nature non physique de l’infini en 192529. Il a dit que l’infini était nécessaire pour boucler les mathématiques, mais ça n’apparaît nulle part dans l’univers physique. Aujourd’hui, les physiciens pensent apparemment qu’ils peuvent traiter l’infini comme un grand nombre comme les autres. Mais la nature centrale de l’infini ne ressemble absolument à aucun nombre fini. On ne peut jamais le réaliser, aussi longtemps que l’on attende ou quoi que l’on fasse ‒ il reste inaccessible. »

Il conclut : « Donc, je pense que l’on devrait admettre, en tant que principe philosophique fondateur, que rien de physiquement réel n’est infini. Je n’ai aucun moyen de le démontrer ‒ ça peut être vrai ou non. Mais pour nous, ça devrait être un principe.

‒ Ce que je n’arrive pas à comprendre, dis-je, c’est que dans d’autres domaines les physiciens utilisent bel et bien l’absence de l’infini comme principe.

‒ Ils l’utilisent ?

‒ Oui ‒ quand une infinité apparaît dans une fonction, nous partons du principe qu’elle n’est pas physique, détaillé-je. Mais il n’y a pas de bonne raison mathématique qui explique pourquoi une théorie ne devrait pas avoir d’infinités. C’est une condition philosophique transformée en supposition mathématique. Les gens en parlent, mais ils ne le couchent jamais par écrit. C’est pour ça que je dis que ça se perd dans les maths. Nous utilisons beaucoup de suppositions qui sont fondées sur la philosophie, mais nous n’y prêtons pas attention.

‒ C’est vrai, approuve George. Le problème, c’est que les physiciens ont été dissuadés de la philosophie par une certaine branche de la philosophie qui dégoise des absurdités ‒ la célèbre affaire Sokal, et tout ça. Et il y a des philosophes qui, d’un point de vue scientifique, disent effectivement n’importe quoi. Mais malgré tout, quand on fait de la physique, on sert toujours de la philosophie en arrière-plan, et il y a beaucoup de bons philosophes ‒ comme Jeremy Butterfield, Tim Maudlin, David Albert ‒ qui sont très réceptifs, pour ce qui est de la relation entre la science et la philosophie. Et il faudrait établir une bonne relation de travail entre les deux. Parce qu’elles peuvent aider à discerner quelles sont les fondations, et quelle est la meilleure façon de formuler des questions. »

La philosophie des failles

En 1996, le professeur de physique Alan Sokal a soumis un papier bidon intitulé « Transgression des frontières : vers une herméneutique transformative de la gravité quantique » à un journal universitaire, qui l’a accepté. Le fait que les réviseurs et les éditeurs de la publication aient été incapables de distinguer une absurdité manifeste d’un véritable travail de recherche a traumatisé les philosophes et renforcé la confiance des physiciens dans leur propre supériorité.

La supercherie de Sokal est une des raisons pour lesquelles les philosophes et les physiciens, surtout ceux qui travaillent sur les questions de la physique fondamentale, entretiennent aujourd’hui des relations tendues. Je connais bien des physiciens pour qui le mot « philosophie » est une insulte, et même ceux qui éprouvent de la sympathie pour la quête des philosophes doutent qu’elle serve à quelque chose.

Et, ce qui est compréhensible, j’ai entendu des philosophes réinventer des arguments dont les physiciens savent depuis longtemps qu’ils sont erronés, j’ai entendu des philosophes s’inquiéter de paradoxes que les physiciens ont résolus depuis des siècles, et j’ai entendu des philosophes déduire comment devraient être les lois de la nature tout en ignorant comment elles sont. En bref, il y a malheureusement beaucoup de philosophes qui ne comprennent pas quand ils sont complètement dépassés.

Mais cela vaut également pour les physiciens, et je serais étonnée que des philosophes ne disent pas la même chose de moi. Les physiciens puisent plus souvent qu’ils ne sont prêts à l’admettre dans les arguments philosophiques, et je ne fais sans doute pas exception. Il nous est aisé de mettre la philosophie au rancart sous prétexte qu’elle est inutile ‒ puisqu’elle l’est.

Dans leur carrière professionnelle, les scientifiques sont obnubilés par le but qu’ils se sont fixé, l’acquisition de nouvelles connaissances ne les intéresse que si elle est susceptible de les aider potentiellement dans leurs recherches. Et j’attends toujours de trouver un philosophe qui aurait effectivement inventé quelque chose qui soit utile à un physicien. Même les philosophes qui comprennent la physique se contentent apparemment d’analyser ou de critiquer ce que nous faisons. Ils ne se soucient pas de nous être utiles.

Pour ce que j’en sais, je pense que mon expérience dans ce domaine est typique. Je ne peux qu’approuver le résumé de Lawrence Krauss : « En tant que praticien de la physique […] j’ai constaté, comme la plupart des collègues avec qui j’ai abordé le sujet, que les spéculations philosophiques sur la physique et la nature de la science ne sont pas particulièrement utiles, et n’ont eu pour ainsi dire aucun impact sur les progrès réalisés dans mon domaine30. » De même, Steven Weinberg notait que « la connaissance de la philosophie ne semble pas être d’une grande utilité aux physiciens31 ». Et Stephen Hawking est même allé jusqu’à dire que « la philosophie est morte. La philosophie n’a pas pu suivre le rythme des développements de la science moderne, en particulier en physique. Ce sont désormais les physiciens qui portent le flambeau de la découverte dans notre quête de la connaissance32 ».

En guise de réponse, Massimo Pigliucci, philosophe à la City University de New York, a simplement déclaré que « le travail de la philosophie n’est pas d’aider la science à avancer33 ». Eh bien, dans la mesure où la philosophie n’a pas pour but d’aider la science à avancer, on voit bien pourquoi les scientifiques estiment qu’elle est inutile.

Mais je ne devrais pas laisser l’avis d’un seul philosophe valoir pour toute sa communauté. J’ai donc été ravi de voir que Tim Maudlin assure, lui, que « la physique a besoin de la philosophie », laquelle ne peut qu’être profitable aux physiciens parce que « le scepticisme philosophique se concentre sur les points faibles conceptuels dans les théories et les démonstrations34 ». Excellent. Mais vous étiez où, bon sang ? Vous étiez où il y a vingt ans, dix ans ? Vous étiez où pendant que nous nous fourvoyions dans ce bourbier ?

Aujourd’hui, la plupart des problèmes que connaissent les fondations de la physique sont des démangeaisons philosophiques, et non des tensions liées aux données, et nous avons besoin de la philosophie pour plonger au cœur de ce qui nous dérange. Les coïncidences numérologiques sont-elles quelque chose qui devrait retenir notre attention ? Est-il jamais justifié d’avoir recours à la perception esthétique pour évaluer les lois de la nature ? Y a-t-il seulement une raison de croire que les lois les plus fondamentales devraient également être les plus simples ? Et si les scientifiques produisent des hypothèses par centaines pour continuer à publier, quels sont les critères qui permettraient d’analyser ce que promettent leurs idées ?

Nous avons besoin des philosophes pour surmonter la faille qui sépare la confusion pré-scientifique de l’argumentation scientifique. Ce qui veut également dire, cependant, que quand la science progresse, quand notre connaissance s’accroît, cela réduit inévitablement l’espace d’expression de la philosophie. Comme les bons psychologues, les bons philosophes des sciences réussissent quand ils deviennent superflus. Et comme les bons psychologues, ils ne devraient pas se sentir offensés quand un patient nie avec véhémence avoir besoin d’aide.

*

« Je pense que le naturel, l’idée qu’une théorie ne devrait pas présenter de coïncidences, est aussi un critère philosophique, dis-je.

‒ Oui.

‒ Vous dites oui, mais quand je discute avec les gens de ma génération, beaucoup se contentent de le traiter comme un critère mathématique. Mais si vous voulez en faire un critère mathématique, il vous faut une répartition de probabilité. Et d’où vient-elle ? Eh bien, il vous faut une théorie pour la répartition de probabilité, ou une autre répartition de probabilité pour la répartition de probabilité de cette théorie, et ainsi de suite.

‒ Oui, répète George. Et dans le multivers, vous pouvez défendre n’importe quelle répartition de probabilité que vous voulez, mais vous ne pouvez pas prouver que la répartition de probabilité s’applique à la physique. [Elle n’est] pas scientifiquement vérifiable : c’est une théorie ad hoc développée pour correspondre aux données. » Il s’interrompt un moment, avant d’ajouter : « Je pense que le monde de la physique théorique erre aujourd’hui dans une région très étrange. »

EN BREF

* La structure actuelle du monde universitaire favorise surtout les idées qui prolifèrent et se répandent rapidement, comme des théories qui sont belles mais difficiles à tester.

* Les physiciens théoriciens respectent de nos jours des pratiques éprouvées pour produire de nouvelles lois de la nature qui resteront longtemps impossibles à tester.

* Le contact avec la philosophie peut aider les physiciens à identifier quelles questions méritent d’être posées, mais actuellement, ce contact est très limité.

* Les physiciens théoriciens sont dépendants de critères de beauté, et l’absence de progrès qui en résulte montre que la science est incapable de se corriger elle-même.

* Jeu de mots sur wimp, « mauviette » en anglais (NdT).

** Planck est un observatoire spatial développé par l’Agence spatiale européenne (ESA), qui a eu pour mission, de 2009 à 2013, de cartographier les variations de température du fond diffus cosmologique. Certaines des données fournies par Planck sont encore en cours d’analyse (NdA).

Chapitre 10

La connaissance, c’est le pouvoir

Où je conclus que le monde irait bien mieux si tout le monde m’écoutait.

Les robots

Il n’est pas vraiment étonnant que les physiciens voient de la beauté dans les lois de la nature. Si, durant vos cours de maths, vous n’avez vu dans les équations que des gribouillis infâmes, il est fort probable que vous n’avez pas ensuite choisi la carrière de physicien théoricien. Il est rare qu’un physicien vous dise que les lois de la nature lui paraissent affreuses, pas plus qu’un chauffeur routier ne vous dira que les gros moteurs sont laids : nous choisissons notre métier en fonction de ce qui nous attire.

Et, bien sûr, la quête de la beauté reste notre motivation tout au long de notre vie professionnelle : « Parce que ça rend le travail plus agréable, ça garantit qu’il reste passionnant », comme l’a dit Gordy Kane. Ou, comme l’a dit Gian Francesco Giudice : « De mon point de vue, c’est ce côté irrationnel qui fait que la physique est géniale et passionnante. » Et la perspective de trouver de la beauté rend la chose encore plus passionnante. Comme l’écrit Dan Hooper dans son livre sur la supersymétrie : « La plus belle théorie pourrait être rédigée en termes simples, peut-être même sous la forme d’une seule équation. […] Il me suffit d’écrire ce paragraphe pour sentir mon cœur s’emballer et mes paumes devenir moites1. »

Oui, les scientifiques sont des êtres humains qui peuvent avoir les mains moites, même si ce n’est pas comme ça que le public aime à nous imaginer. Dans une enquête récente, les scientifiques étaient considérés comme plus « fiables » qu’une « personne normale », mais aussi plus « comme des robots », « focalisés sur leur objectif » et « froids »2. Pas très sympa. Mais ce qui est blessant, ce n’est pas ce jugement en lui-même. Ce qui est blessant, c’est que les gens confondent le métier et la personne qui l’exerce. Pour ce qui se trouve au cœur du métier en question, le cliché voit juste : les scientifiques tentent d’approcher du surhumain. Nous essayons de transcender les faiblesses de la cognition humaine, et nous le faisons en ayant recours à des procédures censées nous empêcher de mentir, aux autres comme à nous-mêmes.

Toutefois, les procédures actuelles sont insuffisantes. Pour être de bons scientifiques, nous devons aussi être conscients de nos souhaits, de nos désirs et de nos failles. Nous devons être conscients de notre propre humanité ‒ et corriger nos défauts au besoin.

Je suis sûre que vous avez entendu cette histoire, que nous sommes tous nés scientifiques et que nous avons découvert le monde naturellement jusqu’à ce qu’une éducation mal avisée ne vienne interférer avec nos instincts. Je l’ai entendue aussi. Romantique, mais fausse. Oui, nous sommes nés curieux, et les petits humains apprennent rapidement grâce au principe du tâtonnement expérimental. Mais nos cerveaux ne se sont pas développés pour servir la science ; ils se sont développés pour nous servir, nous. Et ce qui nous a beaucoup servi au fil de l’évolution ne nous rend pas toujours service dans les sciences.

Des maths empilées sur des maths

Les physiciens ne sont pas les seuls scientifiques à courir après la beauté. James Watson, par exemple, se souvient que Rosalind Franklin était convaincue que l’ADN avait une structure en double hélice parce que c’était « trop beau pour ne pas être vrai3 ». Les biologistes ont tendance à étudier de préférence de jolis animaux4. Et le mathématicien David Orrell a postulé que les climatologistes penchaient en faveur de modèles élégants aux dépens de l’exactitude5.

Mais la course à la beauté n’est pas une théorie de tout. Si le fait de vouloir faire trop de coups d’une seule pierre ne constitue pas un biais cognitif, ça le devrait, et je vais quant à moi essayer de m’en abstenir. Je n’ai constaté un biais esthétique que dans quelques disciplines scientifiques, et même en physique, il ne prédomine que dans les domaines que j’ai abordés. Toutefois, avant de passer au problème plus général des biais sociaux et cognitifs, je tiens à m’attarder sur un cas où le désir d’élégance mathématique a un impact un peu plus sensible sur nos vies que la gravité quantique : l’économie.

*

« Le secteur de l’économie s’est égaré parce que les économistes, en tant que groupe, ont confondu la beauté, parée des atours impressionnants des mathématiques, et la vérité. » C’est ce qu’affirme l’économiste américain Paul Krugman6. Comme nombre de physiciens théoriciens, j’ai un temps envisagé de me tourner vers l’économie dans l’espoir de trouver un meilleur emploi. Si les mathématiques du secteur ne m’ont guère impressionnée, j’ai été stupéfiée par l’absence de données. Je ne pouvais pas dire que l’économie était belle, mais au moins, elle paraissait simple. Trop simple, ai-je pensé. C’est une chose de s’attendre à ce que des particules élémentaires obéissent à des lois simples, universelles. C’en est vraiment une autre d’attendre la même chose de l’humanité.

Certes, je n’étais pas la première physicienne à me dire que l’économie pouvait tirer parti de mathématiques plus élaborées. Doyne Farmer est un des fondateurs de l’éconophysique, une discipline qui applique les méthodes mathématiques développées en physique à des problèmes économiques. Avec un parcours qui l’a fait passer par la théorie du chaos et la dynamique non linéaire, Doyne est aujourd’hui directeur du programme d’économie de la complexité de l’Institut de la nouvelle pensée économique de l’Oxford Martin School. Je l’appelle pour lui demander ce qu’il pense des théories économiques élégantes.

« En économie, ce qu’il y a de bizarre, c’est qu’il y a un modèle que suivent les théories, m’explique-t-il. En gros, selon ce modèle, ce que l’on veut, c’est un système où les agents maximisent égoïstement leurs préférences, et si on n’y parvient pas, alors on dit que la théorie n’a pas de contenu économique. Le concept, c’est que toutes les théories doivent venir de ce principe. Et c’est imposé avec une extrême rigueur, en particulier dans les publications les plus respectées.

» Dans le domaine de l’économie, la hiérarchie des publications est très marquée, poursuit-il. Il y en a environ 350, et les gens connaissent leur classement ‒ ils savent que celle-là est numéro 20, celle-là numéro 30, et ainsi de suite. Il y a cinq publications au sommet, et publier un article dans l’une d’entre elles, c’est énorme. Un article dans une de ces publications peut vous valoir un poste dans une bonne université.

‒ Houlà, fais-je, c’est encore pire qu’en physique.

‒ Oui, c’est pire au sens où le niveau de conformité est très élevé. La rédaction d’un article est soumise à des critères très sévères, en ce qui concerne le style, la présentation, le type de théories, si elle est en relation avec les convictions du plus grand nombre quant à ce que doit être cette théorie. Pour le milieu, c’est ce qui confère de l’élégance et de la beauté aux démonstrations. Moi, il se trouve que je ne les trouve ni belles ni élégantes. Je veux dire, elles sont peut-être élégantes, en un certain sens, mais je ne suis pas convaincu par le cadre sous-jacent. Pour tout dire, je trouve ça un peu idiot.

» Et ce n’est pas comme la théorie des cordes, ajoute-t-il. Dans la théorie des cordes, au moins, vous pouvez prétendre que vous obtenez des mathématiques originales, propres. En économie, les mathématiques ne sont ni profondes ni originales. C’est juste de l’analyse de base, mais enjolivée. Je ne pense pas que les économistes apportent quoi que ce soit d’intéressant aux mathématiques.

» On va peut-être s’apercevoir qu’ils ont raison, concède-t-il, et qu’ils finissent par trouver ce qu’ils cherchent. Mais je pense qu’en économie les modèles classiques connaissent au mieux une réussite partielle. Et selon moi, c’est parce qu’en économie, pour pouvoir avancer, ils sont obligés de renoncer à certains principes parce que ça leur permet d’obtenir des résultats élégants plutôt que d’expliquer comment est le monde.

» Comme l’équilibre. Ils aiment ça parce qu’une fois que vous admettez ce principe il est facile d’en déduire des résultats. Mais par ailleurs, si ce n’est pas comme ça que le monde fonctionne, si ce n’est pas ce qui sous-tend l’économie, alors, tout ça n’est qu’une perte de temps. Et dans bien des cas, je pense que c’est de ça qu’il s’agit. » En économie, l’équilibre définit un état constant où l’offre et la demande sont équilibrées et où la valeur des marchandises est optimisée.

« Je me souviens d’avoir lu quelques-uns de vos articles qui critiquent la théorie de l’équilibre, mais c’était il y a une dizaine d’années, dis-je7. Je pensais, j’espérais, peut-être, qu’il avait été admis qu’elle était trop simpliste. L’économie doit être extrêmement confuse en ce qui concerne les données. Ce n’est pas comme la physique, où, au moins, je peux comprendre qu’ils aient foi en la simplicité. Je me disais que quand on veut décrire une économie du monde réel, alors, il doit y avoir beaucoup d’analyse informatique.

‒ Je suis tout à fait d’accord, et je m’efforce de faire pression en ce sens, mais nous ne sommes qu’une minorité.

‒ Ça m’étonne, fais-je, parce que le “big data” est aujourd’hui tellement en vogue, et je pensais que les économistes devraient être les premiers à se ruer dessus.

‒ Les économistes tendent l’oreille, me répond Doyne. Mais c’est très différent de ce qu’ils faisaient par le passé, et il va falloir du temps.

‒ Comment se fait-il que les économistes soient devenus si accros aux mathématiques ? demandé-je.

‒ S’il y a des mathématiques dans la physique, c’est pour une bonne raison, m’explique-t-il. Ça vous permet de prendre une série de suppositions et de raisonner sur les conséquences de ces suppositions. Donc, l’idée d’utiliser les mathématiques dans les sciences sociales est très tentante. Le problème, ce ne sont pas les mathématiques en elles-mêmes. Les choses qui sont dominantes aujourd’hui, je le crains, le sont devenues parce qu’elles sont élégantes et parce que les gens peuvent démontrer des conclusions, pas parce qu’elles sont utiles pour décrire le monde. C’est comme un mathématicien qui se mettrait sous un réverbère pour chercher ses clés.

» Je pense que la beauté, c’est formidable, et je suis à fond pour l’élégance, dit Doyne. Mais je m’inquiète quand je vois trop de maths empilées sur des maths empilées sur des maths, même si les maths en question sont élégantes. Ce sont peut-être de jolies maths, mais en fin de compte, comment peut-on être sûr que ce qu’on fait, c’est de la science ? »

Ne me faites pas confiance, je suis scientifique

Avez-vous entendu parler de l’étrange histoire de la vie du neutron ? Un neutron se compose de trois quarks et, avec les protons, les neutrons constituent les noyaux des atomes. Les noyaux des atomes sont fort heureusement stables, mais extrayez le neutron du noyau, et il se désintégrera, avec une durée de vie moyenne d’environ 10 minutes. Plus précisément, de 885 secondes, plus ou moins 10. Ce qu’il y a d’étrange, c’est ce plus ou moins.

FIGURE 15. Mesures de la durée de vie du neutron par année. Sources : Patrignani C. et al. (Particle Data Group), 2016, Review of Particle Physics, Chin Phys C 40:100001. (Les barres d’erreur sont de 1 σ.) Bowman J. D. et al., 2014. « Determination of the free neutron lifetime », arXiv:1410.5311 [nucl-ex].

Depuis les années 1950, la durée de vie du neutron a été mesurée avec une précision sans cesse croissante (figure 15, à gauche). Actuellement, on dispose de deux techniques de mesure différentes, qui donnent des résultats différents (figure 15, à droite). Cette différence est plus importante que ce que permettent les incertitudes des mesures, ce qui signifie qu’il y a moins de 1 chance sur 10 000 que cela soit dû au hasard8. C’est une situation intrigante, qui annonce peut-être l’avènement d’une nouvelle physique. Mais ce n’était pas là-dessus que je souhaitais attirer votre attention.

Considérez de nouveau le graphique de gauche de la figure 15. Les petits traits horizontaux sont les valeurs des mesures, et les lignes verticales l’incertitude rapportée. Voyez comment les données se présentent par étapes, puis, soudain, font un saut jusqu’à une nouvelle valeur auparavant fort peu envisagée, parfois même hors de l’incertitude rapportée. Il semble que non seulement les expérimentalistes ont sous-estimé les incertitudes de mesure, mais qu’ils aient en outre de préférence choisi des valeurs optimales qui reproduisaient les résultats précédents. Et ce n’est pas la seule quantité qui a connu de tels sauts de mesure au fil du temps. D’autres ont été constatés ces dernières décennies dans au moins une dizaine de durées de vie, de masses et de taux de diffusion d’autres particules9.

Jamais nous ne saurons exactement pourquoi. Mais une explication plausible serait que les expérimentalistes ont inconsciemment cherché à reproduire des résultats qu’ils connaissaient. Je ne veux pas dire qu’ils ont délibérément triché. C’est juste que si vous obtenez un résultat qui ne correspond pas à la littérature existante, vous êtes davantage susceptible de traquer d’éventuelles erreurs que si votre résultat était parfaitement dans la ligne. Ce qui fausse votre analyse en faveur d’une reproduction de résultats connus.

Les expérimentalistes sont conscients du problème, et ils ont pris des mesures pour le résoudre. D’ailleurs, vous le voyez, les résultats des mesures plus récentes ne correspondent pas. Dans nombre de collaborations, il est désormais courant de s’entendre sur une méthode d’analyse avant même de considérer les données (avant que « l’aveugle soit levé »), puis de poursuivre avec la procédure convenue à l’avance. Cela peut permettre d’échapper à la tentation de tester différentes méthodes d’analyse si le résultat n’est pas celui qui est souhaité.

Dans les sciences de la vie aussi, la récente crise de la reproductibilité a entraîné une accentuation des efforts afin de se protéger contre le biais dans la conception des expériences, l’analyse statistique et les pratiques de publication10. Il y a encore beaucoup de chemin à parcourir, mais au moins, c’est un début.

De notre côté, dans le développement des théories, l’appareil avec lequel nous travaillons n’est autre que notre cerveau. Mais nous ne faisons rien pour éviter les biais dans son fonctionnement. Nous ne pouvons pas visualiser notre progrès à l’aide de simples graphiques, mais je suis sûre que si nous le pouvions nous constaterions également chez les théoriciens une préférence pour la reproduction de résultats existants. Sur certains sujets, nous avons entassé tant d’articles qu’ils sont devenus des domaines de recherche autonomes même en l’absence de preuve expérimentale. Ce sont des constructions théoriques élaborées qui sont testées de manière exhaustive ‒ ce que l’on vérifie étant leur cohérence mathématique. Quiconque mettrait en avant une solution différente mais également cohérente sur le plan mathématique aboutirait à un résultat en désaccord avec la littérature existante.

Prenons l’évaporation des trous noirs. Il n’y a aucune donnée. Le paradoxe du mur de feu (chapitre 8) a montré que la tentative la plus étudiée de résoudre le problème de la perte d’informations des trous noirs ‒ la dualité jauge/gravité ‒ revient à violer le principe d’équivalence. Par conséquent, elle ne résout pas le problème qu’elle était censée résoudre parce qu’elle est incompatible avec le postulat principal de la relativité générale11. Mais il existe tant de travaux antérieurs en faveur de cette solution supposée qu’il est impensable d’y renoncer. Au lieu de cela, les physiciens théoriciens cherchent maintenant à rendre le nouveau résultat compatible avec des travaux plus anciens en réinventant la mécanique quantique.

Par exemple, Juan Maldacena et Leonard Susskind ont postulé que les particules intriquées sont liées aux trous de ver, des déformations de l’espace-temps si puissantes que deux endroits auparavant éloignés se retrouvent rattachés par un court tunnel12. La non-localité n’est donc plus « étrange », mais une propriété de l’espace et du temps, et notre univers est transpercé par des trous de ver. Les trous de ver connecteraient en particulier les pairs de particules de la radiation de Hawking, éliminant à la fois le problème du mur de feu et celui de la perte d’informations des trous noirs. Cette idée est développée dans un espace-temps avec une constante cosmologique négative, aussi ne décrit-elle pas l’univers dans lequel nous vivons. Mais ils espèrent qu’elle représente un principe général qui est aussi valide dans notre univers13.

Ils ont peut-être raison. C’est une nouvelle idée enthousiasmante. Si la nature fonctionne comme ça, ce serait une fabuleuse perspective. Et elle s’adapte si parfaitement à tous les résultats précédents.

Cette tente pue

Vénérer la beauté et vouloir s’adapter sont deux traits humains. Mais ils faussent notre objectivité. Ce sont des biais cognitifs qui empêchent la science de fonctionner de façon optimale, et pour l’heure, personne ne les prend en considération. Ce ne sont pas les seuls biais dont les théoriciens sont affligés. Là où les expérimentalistes ne ménagent pas leurs efforts pour tenir compte des biais statistiques, les théoriciens avancent sans s’en soucier, béatement convaincus qu’il est possible de déterminer les lois appropriées de la nature grâce à l’intuition.

Les biais cognitifs humains ne sont généralement pas une mauvaise chose. La plupart d’entre eux se sont développés parce qu’ils sont, ou ont été, pour nous un avantage. Ainsi, nous sommes plus susceptibles d’émettre des opinions dont nous pensions qu’elles seront bien reçues par d’autres. Ce « biais de désirabilité sociale » est un effet secondaire de notre besoin de nous intégrer au sein du groupe afin de survivre. Vous n’allez pas déclarer au chef de la tribu que sa tente pue si vous avez dans le dos une dizaine de types armés de lances. Ce qui est très intelligent de votre part. Mais si l’opportunisme peut être profitable pour notre survie, il l’est en revanche rarement quand on veut découvrir des connaissances.

Le défaut d’intelligence le plus fréquent dans les sciences est probablement le biais de confirmation. Si vous épluchez la littérature à la recherche d’arguments en faveur de vos idées, vous en êtes victime. De même, si vous cherchez une erreur parce que votre résultat ne correspond pas à ce que vous espériez. Et aussi quand vous évitez la personne qui pose les questions gênantes. Le biais de confirmation est aussi la raison pour laquelle nous finissions presque toujours par prêcher des convaincus quand nous présentons les avantages de nos recherches. Vous savez que sans la découverte de lois fondamentalement nouvelles de la nature l’innovation finira par se tarir, non ?

Mais la science est affectée par d’autres biais sociaux et cognitifs dont nous ne sommes pas aussi familiers14. Le raisonnement motivé en est un15. Il nous fait croire que les résultats positifs sont plus probables qu’en réalité. Vous vous souvenez d’avoir entendu dire que le LHC allait probablement découvrir des preuves d’une physique allant au-delà du modèle standard ? Que ces expériences allaient sans doute trouver des preuves de l’existence de la matière noire d’ici un ou deux ans ? Ah, on continue à le dire ?

Il y a aussi les coûts irrécupérables, autrement dit les investissements en pure perte. Plus vous avez consacré d’efforts et de temps à la supersymétrie, moins vous serez disposé à renoncer, même si les chances semblent être de plus en plus contre vous. Nous continuons à faire ce que nous avons fait longtemps après que les projets ont cessé d’être prometteurs, parce que nous nous sommes déjà investis, et que nous n’aimons pas admettre que nous avons peut-être eu tort. C’est pourquoi Planck a lancé : « La science avance obsèques après obsèques16. »

Le biais endogène nous fait croire que les chercheurs dans notre domaine sont plus intelligents que les autres. C’est à cause du biais de l’information partagée que nous continuons à débattre de ce que tout le monde sait, mais que nous sommes incapables de prêter attention aux informations qui ne sont détenues que par quelques personnes. Nous aimons attribuer une logique au bruit (l’apophénie). Nous pensons que des arguments sont plus solides si la conviction paraît plausible (biais de croyance). Et c’est à cause de l’effet de halo que vous vous intéressez davantage à ce que dit un lauréat du prix Nobel qu’à ce que je dis ‒ peu importe le sujet.

Il y a aussi l’effet de faux consensus : nous avons tendance à surestimer le nombre de gens qui sont d’accord avec nous et jusqu’à quel point ils le sont. Et une des distorsions les plus problématiques, en science, c’est que plus nous avons entendu parler d’un fait plus nous le considérons comme probable, ce que l’on appelle le biais d’attention ou l’effet de simple exposition. Nous accordons plus d’attention à une information en particulier si elle est répétée par d’autres membres de notre communauté. Ce renforcement communautaire peut transformer les communautés scientifiques en chambres d’écho où les chercheurs se renvoient inlassablement leurs arguments, se rassurant constamment sur le bien-fondé de ce qu’ils sont en train de faire.

Et il y a le pire biais de tous, celui qui consiste à affirmer avec insistance que nous n’avons pas de biais du tout. C’est la raison pour laquelle mes collègues se contentent de rire quand je leur dis que les biais posent problème et rejettent mes « arguments sociaux », convaincus qu’ils n’ont pas d’impact sur le discours scientifique. Mais l’existence de ces biais a été confirmée dans d’innombrables études. Et absolument rien n’indique que l’intelligence nous en protège. Des recherches n’ont découvert aucun lien entre les capacités cognitives et les biais cognitifs17.

Les physiciens théoriciens ne sont évidemment pas les seuls à souffrir de biais cognitifs. Ce sont des problèmes que l’on croise dans tous les domaines de la science. Nous ne sommes pas capables d’abandonner des orientations de recherche qui se révèlent stériles ; nous avons du mal à intégrer de nouvelles informations ; nous ne critiquons pas nos collègues parce que nous avons peur de devenir « socialement indésirables ». Nous méprisons les idées qui sortent des sentiers battus parce qu’elles viennent de gens qui ne sont « pas comme nous ». Nous jouons le jeu dans un système qui empiète sur notre indépendance intellectuelle parce que c’est ce que tout le monde fait. Et nous affirmons que notre comportement est valide sur le plan scientifique, qu’il ne repose que sur un jugement impartial, car il est impensable que nous soyons influencés par des effets sociaux et psychologiques, si avérés soient-ils.

Nous avons toujours eu des biais cognitifs et sociaux, bien sûr. Ils sont la raison pour laquelle, de nos jours, les scientifiques ont recours à des méthodes institutionnalisées pour renforcer leur objectivité, y compris l’évaluation par leurs pairs, des mesures de signification statistique, et des directives de bonne conduite scientifique. Et la science, jusque-là, a fort bien avancé, alors, pourquoi devrions-nous commencer à nous en soucier maintenant ? (Ce qui, soit dit en passant, s’appelle le biais du statu quo.)

Plus un groupe est important, moins il est efficace quand il s’agit de partager des informations18. Par ailleurs, plus un groupe est spécialisé, plus il est probable que ses membres n’aient vent que de ce qui vient à l’appui de leur point de vue. C’est pourquoi il est tellement plus important de comprendre le transfert de connaissances dans les réseaux scientifiques aujourd’hui qu’il y a un siècle, voire seulement vingt ans. Et plus nous nous appuyons sur un raisonnement logique détaché du cadre expérimental, plus l’argumentation objective gagne en importance. C’est un problème qui touche certains domaines de la physique théorique plus que d’autres disciplines scientifiques, d’où le thème central de ce livre.

Certes, les expérimentalistes ont leurs propres priorités. Ils aiment développer de nouvelles technologies et ne laissent pas aux théoriciens le soin de décider de futures expériences. Malgré tout, c’est aux théoriciens qu’il incombe d’indiquer quelles nouvelles régions de l’espace des paramètres méritent d’être explorées. Nous avons la charge d’évaluer nos théories avec autant d’objectivité que possible afin d’aider à identifier les nouvelles expériences les plus prometteuses.

Quel que soit le domaine, tant que les théories sont conçues par des êtres humains, il faut supposer par défaut que l’évaluation des théories souffre de biais tant cognitifs que sociaux, à moins que l’on ne prenne des mesures pour y répondre. Or, actuellement, aucune mesure de ce genre n’est envisagée. Par conséquent, le progrès est presque assurément plus lent qu’il ne devrait.

Comment avons-nous fait pour nous retrouver dans une situation pareille ? Parce qu’il est facile, pour nous autres scientifiques, de rejeter la faute sur les institutions gouvernementales et les organismes de financement, et les plaintes affluent : une semaine sur deux ou presque, Nature et Times Higher Education publient des diatribes contre l’absurdité des efforts qui prétendent mesurer le succès scientifique. Quand je partage ces articles sur Facebook, ils sont sûrs de récolter une belle moisson de pouces levés. Et pourtant, rien ne change jamais.

Se plaindre d’autrui n’aide en rien, car la source du problème, c’est nous-mêmes ‒ et c’est nous qui devons le résoudre. Nous n’avons pas su préserver notre capacité à émettre des jugements impartiaux. Nous nous sommes laissé acculer dans une impasse, et maintenant, nous devons mentir quotidiennement pour seulement dire de pouvoir continuer à travailler. Le fait que nous acceptions cette situation est un échec pour toute la communauté scientifique, et c’est à nous qu’il revient de remettre les choses à plat.

Ce n’est peut-être pas très populaire de critiquer sa propre tribu. Mais cette tente pue.

*

La critique est aisée, disent les critiques. J’ai passé neuf chapitres à défendre l’idée que les physiciens théoriciens sont pris au piège d’idéaux esthétiques hérités du passé, mais maintenant, vous vous demandez peut-être ce que je pense qu’ils devraient faire. N’ai-je donc pas de solution à proposer ?

Je n’ai pas de remède miracle pour les problèmes que les physiciens théoriciens tentent de résoudre, et si je vous disais le contraire, je ne saurais que trop vous conseiller de vous moquer ouvertement de moi. Ce sont des problèmes ardus, et il ne suffira pas de dénoncer des biais esthétiques pour qu’ils disparaissent. Dans la partie qui suit, je vais vous soumettre quelques idées pour en sortir. Mais bien sûr, comme tout le monde, j’ai mes préférences personnelles. Et bien sûr, moi aussi, je suis biaisée.

Mon intention est plus générale, elle dépasse le cadre de ma propre discipline. Les biais sociaux et cognitifs constituent une menace pour la méthode scientifique. Ils se dressent sur la voie du progrès. Nous ne pourrons jamais nous en défaire complètement, mais nous ne sommes pas pour autant obligés d’accepter cette situation. Nous pouvons au moins apprendre à identifier les problèmes et à éviter de les aggraver par de mauvaises habitudes communautaires. J’ai regroupé quelques propositions pratiques dans l’Appendice C.

Perdus dans les maths

C’est grâce aux maths, je vous l’ai dit, que nous restons honnêtes. Elles nous empêchent de mentir, à nous et aux autres. On peut se tromper avec les maths, mais on ne peut pas mentir. C’est vrai, on ne peut pas mentir avec les mathématiques. En revanche, elles peuvent sérieusement ajouter à la confusion.

Vous vous souvenez du temple de la science, dont la crypte repose sur les fondations de la physique, et où nous continuons à creuser dans l’espoir de comprendre toujours plus ? Alors que j’atteins le terme de mes voyages, je crains que les fissures que nous voyons dans le sol ne soient pas du tout des fissures, mais simplement des motifs complexes. Nous ne creusons pas aux bons endroits.

Comme vous l’avez vu, la plupart des problèmes que nous étudions actuellement dans les fondations de la physique sont les coïncidences numérologiques. L’ajustement de la masse du boson de Higgs, le problème CP fort, la petite taille de la constante cosmologique ‒ il ne s’agit pas d’incohérences, mais de doutes esthétiques.

Dans l’histoire de notre discipline, la déduction mathématique ne nous a guidés que si nous étions effectivement confrontés à un problème d’incohérence. L’incohérence entre la relativité spéciale et la gravitation newtonienne a donné naissance à la relativité générale. L’incohérence entre la relativité spéciale et la mécanique quantique a abouti à la théorie quantique des champs. L’échec de l’interprétation probabiliste du modèle standard nous a permis de conclure que le LHC devait trouver une nouvelle physique, qui s’est manifestée sous la forme du boson de Higgs. Autant de questions qui ont pu être résolues grâce aux maths. Mais la plupart des problèmes auxquels nous faisons face aujourd’hui sont d’un tout autre genre. À l’exception de la quantification de la gravité.

La première leçon que j’en tire est donc la suivante : si vous voulez résoudre un problème avec les maths, vérifiez d’abord qu’il s’agit bien d’un problème.

Les physiciens théoriciens s’enorgueillissent de leur expérience et de leur intuition. Et je suis tout à fait pour que l’on use de son intuition pour avancer des suppositions qui ne seront justifiées (ou non) que plus tard. Mais il faut suivre de près l’évolution de ces suppositions, sous peine de les voir acceptées alors même qu’elles ne sont pas justifiées. Les suppositions basées sur l’intuition sont souvent pré-scientifiques et ressortissent au domaine de la philosophie. Si c’est le cas, nous avons besoin d’être en contact avec des philosophes afin de comprendre comme rendre nos suppositions plus scientifiques.

Ma deuxième leçon est donc : établissez clairement vos suppositions.

Le naturel est une de ces suppositions. Tout comme la simplicité. Le réductionnisme ne veut pas dire que la simplicité augmente quand l’échelle diminue. Au lieu de cela, nous pourrions être contraints de passer par une phase (en termes d’échelles) où nos théories redeviennent plus compliquées. La dépendance vis-à-vis de la simplicité, sous couvert d’unification ou de diminution du nombre d’axiomes, pourrait nous induire en erreur.

Mais même avec de bons problèmes et des suppositions clairement formulées, il peut toujours y avoir de nombreuses solutions mathématiques possibles. En fin de compte, la seule façon de savoir quelle théorie est correcte est de vérifier si elle décrit ou non la nature. L’évaluation non empirique des théories ne conviendra pas. En quête d’une théorie de la gravité quantique et d’un meilleur formalisme de la physique quantique, la seule façon d’avancer est de déduire et tester différentes prédictions.

Aussi, voici ma troisième et dernière leçon : l’observation doit nous guider.

La physique n’est pas des maths. La physique, c’est choisir les bonnes maths.

L’aventure continue

22 juin 2016 : les premières rumeurs commencent à circuler sur le fait que le saut du diphoton s’atténuerait dans les nouvelles données du LHC.

21 juillet 2016 : l’expérience LUX sur la matière noire conclut ses recherches et ne rapporte aucun signe de WIMP.

29 juillet 2016 : la rumeur sur l’anomalie du diphoton enfle.

4 août 2016 : les nouvelles données du LHC sont publiées. Elles confirment que le saut du diphoton a bel et bien disparu. Dans les huit mois qui ont suivi sa « découverte », plus de 500 articles ont été écrits sur une fluctuation statistique. Beaucoup d’entre eux ont été publiés dans les journaux les plus cotés de la discipline. Les plus populaires ont déjà été cités plus de 300 fois. Si cela doit nous enseigner quelque chose, c’est que la pratique actuelle permet aux physiciens théoriciens d’inventer rapidement des centaines d’explications pour toutes les données sur lesquelles ils tombent par hasard.

Dans les semaines qui suivent, Frank Wilczek perd son pari avec Garrett Lisi sur la découverte éventuelle de la supersymétrie dans le LHC. Un autre pari du même genre, fait lors d’une conférence en 2000, est remporté par les partisans de l’absence de SUSY19.

Pendant ce temps, je gagne un pari contre moi-même, ayant juré que mes collègues continueraient à échouer le temps que je finisse d’écrire. J’avais toutes mes chances ‒ ça fait trente ans qu’ils essaient la même chose encore et encore tout en espérant obtenir des résultats différents.

En octobre, la collaboration CDEX-1 annonce n’avoir trouvé aucun axion.

Jusqu’à quand faut-il attendre qu’une théorie soit confirmée par l’expérience ? Je n’en ai aucune idée. Je ne suis même pas sûre que cette question ait un sens. Peut-être que les particules que nous cherchons sont à portée de main et que leur découverte n’est qu’une question de développement technologique.

Mais que nous trouvions ou non quelque chose, il est déjà évident que nos vieilles règles de développement des théories ont fait leur temps. 500 théories pour expliquer un signal qui n’existe pas et 193 modèles pour l’univers primitif sont des preuves plus que suffisantes que les critères de qualité actuels sont désormais inutiles pour évaluer nos théories. Si l’on veut choisir de nouvelles expériences prometteuses, il nous faut de nouvelles règles.

En octobre 2016, l’expérience KATRIN, à Karlsruhe, en Allemagne, est mise en œuvre. Elle a pour mission de mesurer les masses des neutrinos, jusque-là inconnues. En 2018, le Square Kilometer Array (SKA), un radiotélescope en construction en Australie et en Afrique du Sud, a commencé à rechercher les signaux des plus anciennes galaxies. Dans les années qui viennent, l’expérience g-2 au Fermilab de Chicago et l’expérience J-PARC à Tokyo mesureront le moment magnétique du muon avec une précision sans précédent, mettant ainsi à l’épreuve la tension qui existe depuis longtemps entre l’expérience et la théorie. L’Agence spatiale européenne a procédé à des essais pour eLISA, un interféromètre laser spatial capable de mesurer les ondes gravitationnelles dans des gammes de fréquence inexplorées, ce qui donnerait de nouveaux détails sur ce qui se passe pendant l’inflation. Une grande partie des données du LHC n’ont pas encore été analysées, et nous pourrions peut-être encore y déceler des signes de physique au-delà du modèle standard.

Nous savons que les lois de la nature dont nous disposons actuellement sont incomplètes. Pour les compléter, il nous faut comprendre le comportement quantique de l’espace et du temps, repenser soit la gravité, soit la physique quantique, voire les deux. Et la réponse ne manquera pas de poser de nouvelles questions.

La physique, semble-t-il, a été la grande réussite du siècle dernier, mais nous vivons aujourd’hui au siècle des neurosciences ou de la bio-ingénierie ou de l’intelligence artificielle (selon la personne que vous interrogerez). Personnellement, je ne crois pas. Je viens d’obtenir une nouvelle bourse de recherche. Il y a beaucoup à faire. La physique va réaliser une nouvelle percée durant ce siècle.

Et elle sera belle.

Remerciements

Je suis reconnaissante envers toutes celles et ceux dont les interviews m’ont permis de brosser un tableau si vivant de notre communauté : Nima Arkani-Hamed, Doyne Farmer, Gian Francesco Giudice, Gerard ’t Hooft, Gordon Kane, Michael Krämer, Garrett Lisi, Katherine Mack, Keith Olive, Chad Orzel, Joe Polchinski, Steven Weinberg, Xiao-Gang Wen, et Frank Wilczek. Merci beaucoup, vous avez été formidables ;

Je dois beaucoup à tous les gens qui, au fil des ans, m’ont aidée à mieux comprendre les divers sujets abordés dans ce livre : Howie Baer, Xavier Calmet, Richard Dawid, Richard Easther, Will Kinney, Stacy McGaugh, John Moffat, Florin Moldoveanu, Ethan Siegel, David Spergel, Tim Tait, Tilman Plehn, Giorgio Torrieri, et tant d’autres, croisés dans tous ces séminaires, ces conférences, ces livres et ces articles qui m’ont été si profitables.

Je remercie également les volontaires qui ont lu des brouillons de ce manuscrit : Niayesh Afshordi, George Musser, Stefan Scherer, Lee Smolin, et Renate Weineck.

Un grand merci à Lee Smolin, pour avoir enfin compris qu’il ne parviendrait pas à me dissuader d’écrire ce livre, et à mon agent Max Brockman et à l’équipe de Basic Books, en particulier Leah Stecher et Thomas Kelleher, pour leur soutien.

Enfin, je tiens à remercier Stefan d’avoir toléré deux années d’imprécations au sujet de « ce fichu bouquin », et Lara et Gloria, qui ont si bien su me divertir quand j’en avais besoin.

Ce livre est dédié à ma mère qui, alors que j’avais dix ans, m’a laissée saccager sa machine à écrire. Regarde, Maman, finalement, ça a servi à quelque chose.

Appendice A :

Les particules du modèle standard

Les particules du modèle standard (voir figure 6) sont classées selon les symétries de jauge1. Les fermions de l’interaction forte sont les quarks, et on en a trouvé six. On les a baptisés les quarks up, down, strange, charm, bottom et top. Les quarks up, charm et top ont une charge électrique fractionnelle de 2/3 ; les trois autres quarks ont une charge électrique de -1/3. L’interaction des quarks est due à huit gluons sans masse, qui sont les bosons de jauge de l’interaction forte. Leur nombre découle du groupe de symétrie de l’interaction forte, soit SU(3).

Les fermions restants ne participent pas à l’interaction forte et sont appelés des leptons. On en a également trouvé six : l’électron, le muon et le tau (chacun avec une charge électrique de -1) et les neutrinos qui leur sont associés, le neutrino-électron, le neutrino muonique et le neutrino tauique. L’interaction électrofaible est régulée par le photon, neutre et sans masse, et par les bosons massifs Z, W+ et W-, qui présentent respectivement une charge électrique de 0, +1 et -1. Là encore, le nombre de bosons de jauge découle du groupe de symétrie, qui, pour l’interaction électrofaible, est SU(2) × U(1).

Les fermions sont subdivisés en trois générations qui, en gros, les classent en fonction de leur masse. Mais surtout, les générations répartissent les fermions dans des groupes qui doivent contenir un nombre égal de quarks et de leptons, sous peine de voir le modèle standard perdre sa cohérence. Le nombre de générations n’est pas établi par les conditions de la cohérence, mais les données existantes semblent clairement indiquer qu’il n’y en a que trois2.

Outre les fermions (les quarks et les leptons) et les bosons de jauge, il n’y a qu’une autre particule dans le modèle standard, le boson de Higgs. Il est massif et n’est pas un boson de jauge. Le boson de Higgs est électriquement neutre et il a pour fonction de conférer leur masse aux fermions et aux bosons de jauge massifs.

C’est très laid. Vous êtes déçus ?

Appendice B :

Le problème du naturel

Quand on suppose une loi uniforme, on se fonde sur l’impression que c’est un choix intuitivement simple. Mais aucun critère mathématique n’identifie cette loi de probabilité. En fait, toute tentative en ce sens ne fait que ramener à la supposition qu’une certaine forme de loi de probabilité était de toute façon préférable. La seule manière de rompre ce cercle est de faire un choix. Par conséquent, le naturel est aussi fondamentalement un critère esthétique1.

Pour tenter de justifier la loi de probabilité uniforme pour le critère de naturel, on pourrait commencer par dire qu’elle n’introduit pas de paramètres additionnels. Sauf que si : elle introduit le nombre 1 en tant que largeur typique. Vous vous dites : « Oh, mais le nombre 1 est le seul nombre que le naturel me permet d’utiliser. » Eh bien, ça dépend de la façon dont vous définissez le naturel. Et vous l’avez défini en comparant l’occurrence d’un nombre par rapport au hasard. Et quelle en est la distribution aléatoire ? C’est un cercle vicieux.

Pour mieux comprendre pourquoi ce critère est circulaire, considérez une distribution de probabilité sur l’intervalle de 0 à 1 qui a un pic avec une valeur d’une largeur, disons, de 10-10. « Et voilà, vous exclamez-vous, vous avez introduit un petit nombre ; C’est de l’ajustement ; » Pas si vite. C’est de l’ajustement selon une distribution uniforme. Mais je n’utilise pas une distribution uniforme, j’en utilise une avec un pic marqué. Et si vous utilisez cette distribution, alors, il est très probable que deux nombres sélectionnés au hasard se trouvent à une distance de 10-10. « Mais, m’objecterez-vous, c’est un argument circulaire. » Certes, mais ça, c’est moi qui le dis, pas vous. La distribution de probabilité avec un pic marqué se justifie autant, ou aussi peu que la distribution uniforme. Alors, laquelle est la meilleure ?

Oui, je sais, on a quelque part le sentiment qu’une fonction constante est spéciale, qu’elle est plus simple, d’une certaine façon. Et aussi que 1 est un nombre spécial. Mais s’agit-il d’un critère mathématique ou esthétique ?

Vous pouvez essayer d’adopter une approche méta de ce problème en vous demandant s’il y a une loi de probabilité qui serait la plus probable. Pour cela, il va vous falloir une distribution de probabilité dans l’espace des distributions de probabilité, et ainsi de suite, ce qui aboutit à une relation de récurrence. Le nombre 1 est effectivement spécial en ce qu’il est l’élément neutre pour la multiplication. On peut par conséquent tenter de construire une relation de récurrence qui converge vers une distribution avec une largeur de 1 comme cas limite. J’ai longtemps caressé cette idée et, pour aller au fait, la réponse est non : il vous faut toujours des suppositions additionnelles pour choisir une distribution de probabilité.

Pour les spécialistes, une réponse un peu plus longue qui illustre le problème : il y a un nombre infini de bases dans l’espace des fonctions, dont aucune n’est privilégiée pour des raisons mathématiques. Il se trouve simplement que nous sommes très habitués au monôme, d’où notre préférence pour des fonctions constantes, linéaires ou quadratiques. Mais vous pourriez tout aussi bien opter pour une distribution uniforme dans un espace de Fourier (quel que soit le paramètre que vous traitiez). En fait, il y a une distribution uniforme pour toutes les bases possibles que vous pouvez choisir, et toutes sont différentes. Donc, si vous voulez utiliser une récurrence, vous pouvez préférer choisir la base des fonctions de distribution plutôt que la distribution elle-même, mais dans un cas comme dans l’autre, il vous faut quand même faire un choix. (La récurrence entraînera également des suppositions additionnelles.)

Quoi qu’il en soit, que vous acceptiez ou non ma conclusion, qui veut que le naturel ne soit pas un critère mathématique mais un critère esthétique qui s’est « perdu dans les maths », le fait que le choix de la distribution de probabilité ne soit pas débattu dans la littérature devrait vous pousser à réfléchir. Même si un des premiers articles à introduire les mesures veillait à rappeler que « toute mesure d’ajustement qui quantifie le naturel » implique un choix qui « introduit nécessairement un élément d’arbitraire dans la construction2 ».

Une incarnation moderne du naturel technique a recours à l’inférence bayésienne. Dans ce cas, le choix passe de la distribution de probabilité aux probabilités a priori 3.

Appendice C :

Et si vous nous aidiez

Il faut des mesures à la fois de la base au sommet et du sommet vers la base pour améliorer la situation qui est la nôtre aujourd’hui. C’est un problème interdisciplinaire dont la solution requiert l’aide de la sociologie des sciences, de la philosophie, de la psychologie et ‒ surtout ‒ des praticiens de la science eux-mêmes. Les détails diffèrent d’un domaine à l’autre. Il n’y a pas de panacée. Voici ce que vous pouvez faire pour nous aider.

Vous êtes scientifique

Apprenez-en plus sur les biais sociaux et cognitifs. Prenez conscience de ce qu’ils sont et dans quelles circonstances ils ont plus de chance de se produire. Parlez-en à vos collègues.

Évitez les biais sociaux et cognitifs. Si vous organisez des conférences, encouragez les intervenants à établir la liste non seulement des motivations de leurs recherches, mais aussi de leurs faiblesses. N’oubliez pas de discuter des « problèmes connus ». Invitez des chercheurs travaillant sur des programmes concurrents. Si vous révisez des articles, veillez à ce que des questions ouvertes soient correctement évoquées et débattues. Dénoncez le marketing comme étant inapproprié sur le plan scientifique. Ne rejetez pas des travaux de recherche uniquement parce qu’ils ne sont pas présentés de façon assez captivante ou parce qu’ils n’attirent que peu de gens.

Méfiez-vous de l’influence des médias et des réseaux sociaux. Ce que vous lisez, ce dont parlent vos amis, tout cela affecte vos intérêts. Soyez attentifs à ce que vous laissez arriver jusqu’à votre cerveau. Si vous envisagez de vous intéresser à un sujet d’étude, gardez à l’esprit le fait que vous avez peut-être été influencé par le nombre de fois où vous avez entendu d’autres personnes en parler de façon positive.

Développez votre sens critique. Il ne suffit pas d’ignorer les mauvaises idées pour qu’elles disparaissent ; elles risquent de consommer des financements. Lisez les travaux d’autres chercheurs et rendez vos critiques publiques. Ne rabrouez pas ceux de vos collègues qui critiquent les autres et ne les considérez pas comme improductifs ou agressifs. Dans les sciences, il est parfois nécessaire de tuer des idées. Dites-vous que c’est pour le bien de tous.

Dites non. Si une politique affecte votre objectivité, par exemple parce qu’elle fait dépendre la poursuite de votre financement de la popularité de vos résultats, rappelez que cette attitude est contraire à la pratique scientifique et devrait être amendée. Si votre université vante sa productivité en termes de nombre d’articles publiés, et si vous estimez que cela fait passer la quantité avant la qualité, ne cachez pas votre désapprobation.

Vous êtes administrateur, décideur, éditeur ou représentant d’un organisme de financement

Décidez par vous-même. Ne déléguez pas les décisions à d’autres. Ne jugez pas les scientifiques en fonction du nombre de financements qu’ils ont décrochés ou de la popularité de leurs recherches ‒ ce sont des jugements rendus par des tiers qui dépendent eux-mêmes d’autres tiers. Faites-vous votre propre avis. Soyez responsable. Si vous devez utiliser un système de mesure, inventez-le. Mieux encore, demandez à des scientifiques de développer leur propre système.

Appuyez-vous sur des directives claires. Si vous devez faire appel à des réviseurs externes, formulez des recommandations sur les moyens de lutter autant que possible contre les biais. Les réviseurs ne devraient pas fonder leur opinion sur la popularité d’un domaine de recherche ou d’une personne. Si la poursuite du financement d’un réviseur dépend du bien-être d’un domaine de recherche précis, cette personne est face à un conflit d’intérêts et ne devrait pas rendre d’avis sur des articles dans ce même domaine. Ce qui constitue un problème, car ce conflit d’intérêts est omniprésent. Voir les trois points suivants pour tenter de le résoudre.

Engagez-vous à long terme. Cessez de croire que toute la science peut être confiée à des post-doctorants à l’aide de bourses de deux ans. La titularisation a été institutionnalisée pour une bonne raison, laquelle est toujours valide. Si cela veut dire moins de gens, qu’il en soit ainsi. Vous pouvez soit produire des tonnes d’articles qui n’intéresseront plus personne dans dix ans, soit être à l’origine d’idées dont on parlera encore dans mille ans. Faites votre choix. Qui dit financement à court terme dit réflexion à court terme.

Encouragez les changements de domaine. Les scientifiques ont naturellement tendance à s’en tenir à ce qu’ils savent déjà. Si un domaine de recherche devient moins prometteur, il faut qu’ils trouvent une issue. Sinon, vous allez vous retrouver à investir dans des secteurs moribonds. Par conséquent, proposez des aides au recyclage, des bourses d’un ou deux ans qui permettront aux scientifiques d’apprendre les bases d’un nouveau domaine et d’y établir des contacts. Pendant cette période, il ne faudrait pas exiger d’eux qu’ils publient des articles ou qu’ils interviennent dans des séminaires.

Recrutez des réviseurs à plein temps. Créez des postes stables pour les scientifiques qui se spécialisent dans la production d’analyses objectives dans certains domaines. Ces réviseurs ne devraient pas eux-mêmes travailler dans le domaine et ne devraient avoir aucune raison personnelle de choisir un camp. Essayez de vous entendre avec d’autres institutions sur le nombre de postes de ce genre.

Soutenez la publication de critiques et de résultats négatifs. De nos jours, la valeur de la critique des travaux d’autrui ou de résultats négatifs est sous-estimée. Mais ces contributions sont absolument indispensables au bon fonctionnement de la méthode scientifique. Trouvez des moyens d’encourager la publication de communications de ce type, par exemple dans le cadre d’éditions spéciales.

Proposez des formations sur les biais sociaux et cognitifs. Cela devrait être obligatoire pour quiconque travaille dans la recherche universitaire. Nous faisons partie de communautés et devons être conscients des défauts que cela entraîne. Rencontrez des gens des sciences sociales, de la psychologie et de la philosophie des sciences, et réfléchissez à des conférences sur le sujet.

Favorisez la répartition du travail par la spécialisation. Nul n’est doué en tout, donc, n’espérez pas que les scientifiques le soient. Certains seront de bons réviseurs, d’autres de bons mentors, d’autres de bons chefs d’équipe, et d’autres d’excellents communicateurs. Permettez-leur de briller dans ce qu’ils savent faire et tirez-en le meilleur parti, mais n’exigez pas de quelqu’un qui passe la plupart de ses soirées penché sur les devoirs des étudiants qu’il trouve aussi de juteux financements. Proposez aux gens des titres, diplômes et récompenses appropriés.

Vous êtes auteur scientifique ou membre du public

Posez des questions. Vous avez l’habitude de demander des comptes sur les conflits d’intérêts liés aux financements industriels. Mais vous devriez aussi vous interroger sur les conflits d’intérêts dus aux bourses ou aux postes à court terme. Le financement futur des scientifiques dépend-il de la production des résultats dont ils viennent de vous parler.

De même, vous devriez vous demander si la possibilité que les scientifiques poursuivent leurs recherches dépend de la popularité de leurs travaux auprès de leurs collègues. Leur position actuelle leur assure-t-elle une protection suffisante contre la pression de leurs pairs ?

Enfin, tout comme vous avez l’habitude de regarder les statistiques de près, vous devriez aussi vous demander si les scientifiques ont pris des mesures pour résoudre leurs biais cognitifs. Ont-ils produit une analyse impartiale des avantages et des inconvénients ou se sont-ils contentés de faire la réclame de leurs propres travaux ?

Vous verrez qu’en ce qui concerne presque toutes les recherches entreprises dans les fondations de la physique la réponse à au moins une de ces questions est négative. Cela veut dire que vous ne pouvez pas avoir confiance dans les conclusions de ces chercheurs. C’est désolant, mais c’est vrai.

Notes

Chapitre 1 : Les règles secrètes de la physique

1. Barbieri R., Giudice G. F., « Upper bounds on supersymmetric particle masses », Nucl. Phys. B., 306, 1988, p. 63.

2. Hooper D., Nature’s Blueprint, New York, HarperCollins, 2008.

3. Forshaw J., « Supersymmetry : is it really too good not to be true ? », The Guardian, 9 décembre 2012.

4. Lykken J., Spiropulu M., « Supersymmetry and the crisis in physics », Scientific American, 1er mai 2014.

5. Il s’agit du théorème de Coleman-Mandula. Coleman S., Mandula J., « All possible symmetries of the S matrix », Phys. Rev., 159, 1967, p. 1251.

6. Haag R., Łopuszański J., Sohnius M., « All possible generators of supersymmetries of the S-matrix », Nucl. Phys. B., 88, 1975, p. 257. On peut assouplir encore plus les hypothèses, mais cela ne semble avoir rien donné de physiquement intéressant. Voir par exemple Lykken J., Introduction to supersymmetry, 1996, FERMILAB-PUB-96/445-T. arXiv:hep-th/9612114.

7. Par exemple, les limites imposées au changement de saveur par courant neutre et le moment dipolaire électrique. Voir entre autres Cohen A. G., Kaplan D. B., Nelson A. E., « The more minimal supersymmetric standard model », Phys. Lett. B., 388, 1996, p. 588-598, arXiv:hep-ph/9607394.

8. Giudice G. F., Naturally Speaking : the Naturalness Criterion and Physics at the LHC, 2008, arXiv:0801.2562 [hep-ph].

9. Arkani-Hamed N., Dimopoulos S., Dvali G., « The hierarchy problem and new dimensions at a millimeter », Phys. Lett. B., 429, 1998, p. 263-272. arXiv:hep-ph/9803315.

10. Ou encore plus tôt, avec Nordström, en 1905, bien qu’elle soit généralement attribuée à Kaluza et Klein, puisque Nordström ne travaillait pas avec la relativité générale, encore inconnue à l’époque.

Chapitre 2 : Quel monde merveilleux

1. Chandrasekhar S., Truth and Beauty : Aesthetics and Motivations in Science, Chicago, University of Chicago Press, 1990 ; Orrell D., Truth or Beauty : Science and the Quest for Order, New Haven (CT), Yale University Press, 2012 ; Steward I., Why Beauty is Truth : a History of Symmetry, New York, Basic Books, 2008 ; Kragh H., Higher Speculations, Oxford (RU), Oxford University Press, 2011 ; McAllister J. W., Beauty and Revolution in Science, Ithaca (NY), Cornell University Press, 1996.

2. Galilée, Dialogue sur les deux grands systèmes du monde (Éd. Naz., t. I, p. 56).

3. Cité dans McAllister, J. W., Beauty and Revolution in Science, Ithaca (NY), Cornell University Press, 1996, p. 178.

4. Newton I., The General Scholium, 1729, Motte A., trans. https://isaac-newton.org/general-scholium.

5. Leibniz, G. W., Discours de métaphysique, Gallimard, 1995.

6. Un titan que l’on a baptisé le « principe de moindre action ».

7. Cité par Freeman Dyson dans la nécrologie de Weyl, Nature, 10 mars 1956.

8. Rebsdorf S., Kragh H., « Edward Arthur Milne ‒ the relations of mathematics to science », Studies in History and Philosophy of Modern Physics, 33, 2002, p. 51-64.

9. Cité dans Kragh H., Dirac : a Scientific Biography, Cambridge (RU), Cambridge University Press, 1990, p. 277.

10. Dalitz R. H., « A biographical sketch of the life of Professor P. A. M. Dirac, OM, FRS », dans Taylor J. G., Hilger A. (éd.), Tributes to Paul Dirac, Bristol (RU), Adam Hilger, 1987, p. 20. Cité dans McAllister J. W., Beauty and Revolution in Science, Ithaca (NY), Cornell University Press, 1996, p. 16.

11. Kragh H., Dirac : a Scientific Biography, Cambridge (RU), Cambridge University Press, 1990, p. 292.

12. Einstein A., Einstein’s Essays in Science, Harris A., trans., Mineola, (NY), Dover Publications, 2009, p. 17-18.

13. La Science selon Henri Poincaré, textes présentés par Jean-Pierre Bourguignon, Paris, Dunod, 2013.

14. Ibid.

15. Lettre de Heisenberg à Einstein, dans Heisenberg W., Physics and Beyond : Encounters and Conversations, New York, HarperCollins, 1971, p. 68.

16. Heisenberg E., Inner Exile : Recollections of a Life with Werner Heisenberg, Boston, Birkhäuser, 1984, p. 143.

17. Zee A., Fearful Symmetry : the Search for Beauty in Modern Physics, New York, Macmillan, 1986.

18. Lederman L., The God Particle, Boston, Mariner Books, 2006, p. 15.

19. Le modèle du quark a été découvert indépendamment presque au même moment par George Zweig.

20. Gell-Mann M., dans une conférence TED filmée en mars 2007, www.ted.com/talks/murray_gell_mann_on_beauty_and_truth_in_physics. La version que je cite est celle qui est écrite sur sa présentation à l’écran. En réalité, il dit : « Dans le domaine de la physique fondamentale, nous avons fait l’expérience, remarquable, que la beauté est un critère tout à fait faible pour choisir la bonne théorie. »

21. Lederman L., « The God particle et al. », Nature, 448, 2007, p. 310-312.

22. Weinberg S., entretien avec Nova (PBS), réalisé par Joe McMaster, 2003, www.pbs.org/wgbh/nova/elegant/view-weinberg.html.

23. Wilczek F., A Beautiful Question : Finding Nature’s Deep Design, New York, Penguin Press, 2015, p. 9.

24. Entretien avec l’auteur.

25. Greene B., The Elegant Universe : Superstrings, Hidden Dimensions, and the Quest for the Ultimate Theory, New York, W. W. Norton, 1999, p. 167.

26. Heisenberg E., Inner Exile : Recollections of a Life with Werner Heisenberg, Boston, Birkhäuser, 1984, p. 144.

27. Schrödinger E., « Über das Verhältnis der Heisenberg-Bohr-Jordanschen Quantentheorie zu der meinen », Ann Physik, 4 (7), 1926, p. 734-756.

28. Pauli W., « Wissenschaftlicher Briefwechsel mit Bohr, Einstein, Heisenberg u.a. : Band 1 : 1919-1929 », dans Hermann A., Meyenn K. von, Weisskopf V. F. (éd.), Sources in the History of Mathematics and Physical Sciences, New York, Springer, 1979, p. 262.

29. Lemaître G., « Rencontres avec A. Einstein », Revue des questions scientifiques, 129, 1958, p. 129-132. Cité dans Nussbaumer H., « Einstein’s conversion from his static to an expanding universe », EPJH, 39, 2014, p. 37-62.

30. Nécrologie du professeur Sir Fred Hoyle, The Telegraph, 22 août 2001.

31. Curtis A., « A mile or two off Yarmouth », Adam Curtis : the Medium and the Message, 24 février 2012.

www.bbc.co.uk/blogs/adamcurtis/entries/512cde83-3afb-3048-9ece-dba774b10f89.

32. La théorie du vortex est abordée dans Kragh H., « The vortex atom : a Victorian theory of everything », Centaurus, 44, 2002, p. 32-114 ; Kragh H., Higher Speculations, Oxford (RU), Oxford University Press, 2011.

33. Lodge O., « The ether and its functions », Nature, 34, 1883, p. 304-306, 328-330. Cité dans McAllister J. W., Beauty and Revolution in Science, Ithaca (NY), Cornell University Press, 1996, p. 91.

34. Michelson A. A., Light Waves and their Uses, Chicago, University of Chicago Press, 1903. Cité dans Kragh H., Higher Speculations, Oxford (RU), Oxford University Press, 2011, p. 52.

35. Maxwell J. C., « Atoms », dans Encyclopaedia Britannica, 9e éd., 1875. Cité dans Maxwell J. C., The Scientific Papers of James Clerk Maxwell, vol. 2, Niven W. D. (éd.) 2011, Cambridge (UK), Cambridge University Press, p. 592.

36. Cité dans Kragh H., Higher Speculations, Oxford (RU), Oxford University Press, 2011, p. 87.

37. Klein M. J., « Mechanical explanation at the end of the nineteenth century », Centaurus, 17, 1973, p. 72. Cité dans McAllister J. W., Beauty and Revolution in Science, Ithaca (NY), Cornell University Press, 1996, p. 88.

38. Dirac P., « A new classical theory of electrons », Proc. R. Soc. Lond. A, 209, 1951, p. 251.

39. Cité dans Kragh H., Dirac : a Scientific Biography, Cambridge (UK), Cambridge University Press, 1990, p. 184.

40. Seuls deux physiciens ont décroché deux prix Nobel, et ce, principalement pour des travaux expérimentaux : Maria Sklodowska-Curie en 1903 pour la découverte de la radioactivité, et en 1911 pour avoir isolé du radium pur (le dernier prix étant décerné dans le domaine de la chimie), et John Bardeen, en 1956 pour l’invention du transistor, et de nouveau en 1972, avec Leon Cooper et John Schrieffer, pour leur théorie commune de la supraconductivité.

Certains de mes collègues estiment que Bardeen devrait compter en tant que physicien théoricien. Bardeen était diplômé en ingénierie électrique, et il a obtenu ses deux prix Nobel en science appliquée, donc, pour moi, c’est aller un peu loin. Mais puisque « physicien théoricien » n’est pas un terme des plus précis, je pense aussi que le débat n’a pas lieu d’être. Et de toute façon, il n’a pas de rapport avec mon propos. Les accomplissements de Bardeen n’étaient clairement pas fondés sur les arguments de beauté et de naturel dont traite ce livre.

41. Dawid R., String Theory and the Scientific Method, Cambridge (RU), Cambridge University Press, 2013.

42. Kragh H., « The vortex atom : a Victorian theory of everything », Centaurus, 44, 2002, p. 32-114 ; Kragh H., Higher Speculations, Oxford (RU), Oxford University Press, 2011.

43. Ellis G., Silk J., « Scientific method : defend the integrity of physics », Nature, 516, 2014, p. 321-323.

44. Dawid R., String Theory and the Scientific Method, Cambridge (RU), Cambridge University Press, 2013, rabat de quatrième de couverture.

45. Wagner, C. E. M., « Lectures on supersymmetry (II) », présentation PowerPoint, Fermilab, Batavia, IL, 23 et 30 juin 2005, www-cdf.fnal.gov/physics/lectures/Wagner_Lecture2.pdf.

46. Lederman L., « The God particle et al. », Nature, 448, 2007, p. 310-312.

Chapitre 3 : L’état de l’union

1. O’Brien F.-J., The Diamond Lens, 1858, Project Gutenberg, www.gutenberg.org/ebooks/23169.

2. Au sens strict, ce n’est pas le boson de Higgs qui confère des masses aux particules élémentaires, mais la valeur de fond non nulle du champ de Higgs. Les masses de particules composites comme les neutrons et les protons sont pour l’essentiel de l’énergie de liaison et ne sont pas dues au boson de Higgs.

3. Glashow S., Interactions : a Journey through the Mind of a Particle Physicist and the Matter of this World, New York, Warner Books, 1988.

4. On trouve une excellente présentation de la technologie et du développement des télescopes dans Graham-Smith F., Eyes on the Sky : a Spectrum of Telescopes, Oxford (RU), Oxford University Press, 2016.

5. L’exemple le plus impressionnant est peut-être le Hubble ultra deep field. Voir Beckwith S. V. W. et al., « The Hubble Ultra Deep Field », Astron J., 132, 2006, p. 1729-1755 arXiv:astro-ph/0607632. Ou faites une recherche dans Google Images sur « Hubble Ultra Deep Field ».

6. Certains cosmologistes font référence au modèle de concordance comme étant le « modèle standard de la cosmologie ». Je n’utiliserai pas ce nom pour éviter la confusion avec le modèle standard de la physique des particules, que l’on évoque d’ordinaire simplement comme le « modèle standard ».

7. Une température de 1017 kelvins, c’est plus ou moins la même chose qu’une température de 1017 degrés Celsius ou 1017 degrés Fahrenheit.

8. Il y aurait beaucoup à dire sur le modèle de concordance et son développement, mais je ne tiens pas à me lancer dans des digressions. Pour en savoir plus, je recommande la lecture de Gates E., Einstein’s Telescope : the Hunt for Dark Matter and Dark Energy in the Universe, New York, W. W. Norton, 2010 ; Siegel E., Beyond the Galaxy : How Humanity Looked beyond our Milky Way and Discovered the Entire Universe, Hackensack (NJ), World Scientific Publishing, 2015.

9. Pourquoi appelons-nous certaines choses un modèle et d’autres une théorie ? Il n’y a pas de nomenclature stricte. Certains noms restent, d’autres pas. En gros, une théorie est un cadre mathématique général, alors qu’un modèle contient tous les détails nécessaires pour effectuer un calcul. Il y a beaucoup de théories quantiques des champs différentes, par exemple, mais le modèle standard précise exactement lesquelles. Et la théorie de la relativité générale, à elle seule, ne vous dit pas ce qu’il faut calculer. Pour cela, il vous faut également savoir quelle matière et quelle énergie peuplent l’espace-temps, et c’est ce qu’indique le modèle de concordance.

10. Portell X., « SUSY searches at the Tevatron and the LHC », intervention lors de la conférence « Physics in Collision », Vancouver, Canada, août-septembre 2011, diapositive 41.

http://indico.cern.ch/event/117880/contributions/1330772/attachments/58548/84276/portell_SUSYsearches.pdf.

11. Allanach B., « Hint of new particle at CERN’s Large Hadron Collider ? », The Guardian, 16 décembre 2015.

12. Cité dans Cho A., « Physicists’ nightmare scenario : the Higgs and nothing else », Science, 315, 2007, p. 1657-1658.

13. Gross D., « Closing Remarks », présentation lors de la conférence « Strings 2013 », université de Sogang, Séoul, Corée du Sud, 24-29 juin 2013. www.youtube.com/embed/vtXAwk1vkmk.

Chapitre 4 : Des fissures dans les fondations

1. Kaku M., Hyperspace : a Scientific Odyssey through Parallel Universes, Time Warps, and the Tenth Dimension, Oxford (RU), Oxford University Press, 1994, p. 126 ; Hawking S., « Gödel and the end of the universe », conférence publique, Cambridge (RU), 20 juillet 2002 ; Strassler M., « Looking beyond the standard model », conférence au Higgs Symposium, Université d’Édimbourg, Édimbourg, Écosse, 9-11 janvier 2013. https://higgs.ph.ed.ac.uk/sites/default/files/Strassler_Looking%20Beyond%20SM.pdf ; Greene B., The Elegant Universe : Superstrings, Hidden Dimensions, and the Quest for the Ultimate Theory, New York, W. W. Norton, 1999, p. 143 ; Davies P., The Goldilocks Enigma : Why is the Universe Just Right for Life ?, New York, Penguin, 2007, p. 101.

2. Koide Y., « Should the renewed tau mass value 1777 MeV be taken seriously ? », Mod Phys Lett, A8, 1993, p. 2071.

3. Les matrices unitaires, en réalité, regroupent les amplitudes, non les probabilités. Il existe une matrice unitaire pour les neutrinos, et une pour les quarks de type down. Cette dernière est connue sous le nom de matrice Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM).

4. Peccei R. D., Quinn H. R., « CP conservation in the presence of pseudoparticles », Phys Rev Lett, 38 (25), 1977, p. 1440-1443.

5. Brahé T., Astronomiae instauratae progymnasmata, 1602, cité dans Blair A., « Tycho Brahe’s critique of Copernicus and the Copernican system », Journal of the History of Ideas, 51 (3), 1990, p. 364.

6. Pour une présentation d’ensemble, voir Barrow J. D., « The lore of large numbers : some historical background to the anthropic principle », Q Jl R Astr Soc, 22, 1981, p. 388-420.

7. Une façon stylée de dire que les coefficients devraient être proches de 1.

8. Steigman G., « A crucial test of the Dirac cosmologies », Ap J, 221, 1978, p. 407-411.

9. Pour le comprendre, il a fallu toutefois attendre que les physiciens sachent comment manipuler les infinités inoffensives des théories quantiques des champs.

10. La définition du naturel technique remonte à Gerard ‘t Hooft, qui postulait que chaque fois que l’on rencontre un nombre remarquablement petit dans une théorie quantique des champs il doit y avoir une symétrie où le nombre est zéro, si bien que sa petite taille est protégée par la symétrie, bien que sa définition d’origine ait depuis été généralisée pour dire qu’il doit y avoir une explication pour les petits nombres, la symétrie ou autre chose. Voir : ’t Hooft G. et al., Recent Developments in Gauge Theories, New York, Plenum Press, 1980, p. 135.

11. Glashow S. L., Iliopoulos J., Maiani L., « Weak interactions with lepton-hadron symmetry », Phys Rev, 2 (7), 1970, p. 1285-1292.

12. Nadis S., Yau S.-T., From the Great Wall to the Great Collider : China and the Quest to Uncover the Inner Workings of the Universe, Somerville (MA), International Press of Boston, 2015, p. 75.

13. Randall L., Warped Passages : Unraveling the Mysteries of the Universe’s Hidden Dimensions, New York, Harper Perennial, 2006, p. 253.

14. Entretien avec l’auteur.

15. Une des particules supersymétriques, un superpartenaire de la particule du modèle standard que l’on appelle le gluon.

16. Thomas K. D., « Beyond the Higgs : from the LHC to China », The Institute Letter, Princeton (NJ), Institute for Advanced Study, été 2015, p. 8.

Chapitre 5 : Théories idéales

1. Voss R. F., Clarke J., «“1/f noise” in music and speech », Nature, 258, 1975, p. 317-318.

2. Bach n’a bien sûr pas commencé à composer au moment du Big Bang, et l’homme ne peut entendre qu’une gamme de fréquences limitée. Donc, quand on dit qu’il y a des corrélations sur « toutes » les échelles de temps, cela veut simplement dire pendant la durée de la composition et dans la gamme de fréquences audible. Par conséquent, la vraie musique n’a pas un spectre 1/f parfait, mais ne fait que s’en approcher dans certaines gammes de fréquence. Quoi qu’il en soit, cette universalité est une découverte intéressante.

3. À ne pas confondre avec le domaine philosophique du même nom, le nom étant d’ailleurs la seule chose qu’ils ont en commun.

4. Einstein A., Autobiographical Notes, LaSalle (IL), Open Court, 1999, p. 63.

5. Weinberg S., To Explain the World : the Discovery of Modern Science, New York, 2015, Harper.

6. Wolchover N., Byrne P., « How to check if your universe exists », Quanta Magazine, 11 juillet 2014.

7. Davies P., « Universes galore : where will it all end ? », dans Carr B. (éd.) Universe or Multiverse, Cambridge (UK), Cambridge University Press, 2007, p. 495.

8. Ellis G., « Does the multiverse really exist ? », Scientific American, août 2011, p. 40.

9. « Lawrence Krauss owned by David Gross on the multiverse religion », vidéo YouTube mise en ligne le 26 juin 2014.

www.youtube.com/watch?v=fEx5rWfz2ow.

10. Wells P., « Perimeter Institute and the crisis in modern physics », MacLean’s, 2013, 5 septembre 2013.

11. Horgan J., « Is speculation in multiverses as immoral as speculation in subprime mortgages ? », Cross-Check (blog), Scientific American, 28 janvier 2011, https://blogs.scientificamerican.com/cross-check/is-speculation-in-multiverses-as-immoral-as-speculation-in-subprime-mortgages/.

12. Gefter A., « Is string theory in trouble ? », New Scientist, 14 décembre 2005.

13. Carr B., « Defending the multiverse », Astronomy & Geophysics, 49 (2), 2008, p. 2.36-2.37.

14. Naff C. F., « Cosmic quest : an interview with physicist Max Tegmark », TheHumanist.com, 8 mai 2014.

15. Siegfried T., « Belief in multiverse requires exceptional vision », ScienceNews.org, 14 août 2013.

16. L’inflation éternelle a été proposée pour la première fois par Paul Steinhardt et Alexander Vilenkin. Un modèle différent a été proposé quelques années plus tard par Alan Guth et Andreï Linde.

17. Voir par exemple Mukhanov V., « Inflation without selfreproduction », Fortschr Phys, 63 (1), 2015, arXiv:1409.2335 [astro-ph.CO].

18. Bousso R., Susskind L., « The multiverse interpretation of quantum mechanics », Phys Rev D, 85, 2012, 045007, arXiv:1105.3796 [hep-th].

19. Tegmark M., « The mathematical universe », Found Phys, 38, 2008, p. 101-150, arXiv:0704.0646 [gr-qc].

20. Garriga J., Vilenkin A., Zhang J., « Black holes and the multiverse », JCAP, 02, 2016, 064, arXiv:1512.01819 [hep-th].

21. Weinberg S., « Living in the multiverse », présentation lors de la conférence « Expectations of a final theory », Trinity College, Cambridge (RU), septembre 2005, arXiv:hep-th/0511037.

22. En ce qui concerne le multivers, cette question est connue sous le nom de « problème de la mesure ». Voir par exemple Vilenkin A., « Global structure of the multiverse and the measure problem », AIP Conf Proc, 1514, 2012, p. 7, arXiv:1301.0121 [hep-th].

23. Hoyle F., « On nuclear reactions occurring in very hot stars. I. The synthesis of elements from carbon to nickel », Astrophys J Suppl Ser, 1, 1954, p. 121.

24. Kragh H. « When is a prediction anthropic ? Fred Hoyle and the 7.65 MeV carbon resonance », Preprint, 2010, http://philsci-archive.pitt.edu/5332.

25. Voir par exemple Barrow J. D., Tipler F. J., The Anthropic Cosmological Principle, Oxford (UK), Oxford University Press, 1986 ; Davies P., Cosmic Jackpot : Why our Universe is Just Right for Life, Boston, Houghton Mifflin Harcourt, 2007.

26. Harnik R. D., Kribs G. D., Perez G., « A universe without weak interactions », Phys Rev D, 74, 2006, 035006, arXiv:hep-ph/0604027.

27. Loeb A., « The habitable epoch of the early universe », Int J Astrobiol, 13 (4), 2014, p. 337-339, arXiv:1312.0613 [astro-ph.CO].

28. Adams F. C., Grohs E., « Stellar helium burning in other universes : a solution to the triple alpha fine-tuning problem », 2016, arXiv:1608.04690 [astro-ph.CO].

29. Ce qui ne m’étonne pas vraiment. Que des théories présentant des dizaines de composants qui interagissent de façon non linéaire donnent naissance à des structures complexes doit selon moi être la règle plutôt que l’exception.

30. Ce que conteste Don Page. Page D. N., « Preliminary inconclusive hint of evidence against optimal fine tuning of the cosmological constant for maximizing the fraction of baryons becoming life », 2011, arXiv:1101.2444.

31. Martel H., Shapiro P. R., Weinberg S., « Likely values of the cosmological constant », Astrophys J, 492, 1998, p. 9, arXiv:astro-ph/9701099.

32. Il y avait déjà près de dix ans que la rumeur disait que la constante cosmologique n’était pas égale à zéro et qu’elle avait une valeur positive, mais c’était à partir de mesures qui étaient encore non concluantes. Voir par exemple Efstathiou G., Sutherland W. J., Maddox S. J., « The cosmological constant and cold dark matter », Nature, 348, 1990, p. 705-707 ; Krauss L. M., Turner M. S., « The cosmological constant is back », Gen Rel Grav, 27, 1995, p. 1137-1144, arXiv:astro-ph/9504003. Weinberg avait envisagé une explication anthropique à la constante cosmologique encore plus tôt, voir Weinberg S., « The cosmological constant problem », Rev Mod Phys, 61 (1), 1989, p. 1-23.

33. Johnson G., « Dissonance : Schoenberg », New York Times, vidéo, 30 mai 2014.

www.nytimes.com/video/arts/music/100000002837182/dissonance-schoenberg.html.

34. McDermott J. H., Schultz A. F., Undurraga E. A., Godoy R. A., « Indifference to dissonance in native Amazonians reveals cultural variation in music perception », Nature, 535, 2016, p. 547-550.

Chapitre 6 : La mécanique quantique, si incompréhensible et pourtant si abordable

1. Le titre de ce chapitre paraphrase le comédien Louis C. K., qui a dit : « En ce moment, tout est merveilleux, et personne n’est content. » Voir « Louis CK everything is amazing and nobody is happy », vidéo YouTube mise en ligne le 24 octobre 2015.

www.youtube.com/watch?v=q8LaT5Iiwo4.

2. Popescu S., « Nonlocality beyond quantum mechanics », Nature Physics, 10, 2014, p. 264-270.

3. Cité dans Wolchover N., « Have we been interpreting quantum mechanics wrong this whole time ? », Wired, 2014, 30 juin 2014.

4. Weinberg S., Lectures on Quantum Mechanics, Cambridge (UK) Cambridge University Press, 2012.

5. Scheidl T. et al., « Violation of local realism with freedom of choice », Proc Natl Acad Sci USA, 107, 2010, p. 19708, arXiv:0811.3129 [quant-ph].

6. Pour en savoir plus, lire l’excellent ouvrage de Musser G., Spooky action at a distance : the phenomenon that reimagines space and time ‒ and what it means for black holes, the Big Bang, and theories of everything, New York, Farrar, Straus and Giroux, 2015.

7. Mermin N. D., « What’s wrong with this pillow ? », Physics Today, avril 1989. Non, ce n’est pas Feynman qui l’a dit. Voir Mermin N. D., « Could Feynman have said this ? », Physics Today, mai 2004.

8. Vaidman L., « Time symmetry and the many worlds interpretation », dans Saunders S., Barrett J., Kent A., Wallace D. (éd.), Many Worlds ? Everett, Quantum Theory, and Reality, Oxford (UK), Oxford University Press, 2012, p. 582 ; Tegmark M., « Parallel universes », Scientific American, mai 2003.

9. Mermin N. D., Why Quark Rhymes with Pork and other Scientific Diversions, Cambridge (RU), Cambridge University Press, 2016 ; Carroll S., « Why the many-worlds formulation of quantum mechanics is probably correct », Preposterous Universe, 30 juin 2014.

10. Les interprétations différentes suggèrent également que les conditions pour obtenir les mêmes résultats que l’interprétation de Copenhague ne sont pas toujours remplies, auquel cas les deux interprétations pourraient être distinguées par l’expérience. Ce qui, toutefois, ne s’est encore jamais produit.

11. Bell M., Gottfried K., Veltman M., John S. Bell on the Foundations of Quantum Mechanics, River Edge (NJ), World Scientific Publishing, 2001, p. 199.

12. Polkinghorne J., Quantum Theory : a Very Short Introduction, Oxford (RU), Oxford University Press, 2002, p. 89.

13. Tegmark M., Our Mathematical Universe : my Quest for the Ultimate Nature of Reality, New York, Vintage, 2015, p. 187 ; Tegmark M., « Parallel universes », Scientific American, mai 2003.

14. Kent A., « Our quantum problem », Aeon, 28 janvier 2014.

15. Il m’a précisé qu’il travaillait sur un article à ce propos, qui est paru deux mois plus tard. Voir Weinberg S., « What happens in a measurement ? », Phys Rev A, 93, 2016, 032124, arXiv:1603.06008 [quant-ph].

16. Un état qui reste « pur » est un état dont les propriétés quantiques ne subissent pas de décohérence.

17. Orzel C., How to Teach Quantum Physics to Your Dog, New York, Scribner, 2010.

18. William Daniel Phillips, qui a obtenu le prix Nobel de physique en 1997, avec Claude Cohen-Tannoudji et Steven Chu, pour le refroidissement par laser, une technique qui permet de ralentir les atomes.

19. Sparkes A. et al., « Towards robot scientists for autonomous scientific discovery », Automated Experimentation, 2, 2010, p. 1.

20. Schmidt M., Lipson H., « Distilling free-form natural laws from experimental data », Science, 324, 2009, p. 81-85.

21. Krenn M., Malik M., Fickler R., Lapkiewicz R., Zeilinger A., « Automated search for new quantum experiments », Phys Rev Lett, 116, 2016, 090405.

22. Cité dans Ball P., « Focus : computer chooses quantum experiments », Physics, 9, 2016, p. 25.

23. Powell E., « Discover interview : Anton Zeilinger dangled from windows, teleported photons, and taught the Dalai Lama », Discover Magazine, juillet-août 2011.

24. Vous pouvez le télécharger ici :

www.scienceathome.org/games/quantum-moves/game.

25. Sørensen J. J. W. H. et al., « Exploring the quantum speed limit with computer games », Nature, 532, 2016, p. 210-213.

26. Cela remonte à cette citation : « Nous discutions souvent de son point de vue sur la réalité objective. Je me souviens que, pendant une promenade, Einstein s’est soudain arrêté, il s’est tourné vers moi et m’a demandé si je croyais vraiment que la lune existe quand je la regarde. » Dans Pais A., « Einstein and the quantum theory », Rev Mod Phys, 51, 1979, p. 907.

27. Wigner E. P., « The unreasonable effectiveness of mathematics in the natural sciences », Comm Pure Appl Math, 13, 1960, p. 1-14.

Chapitre 7 : Une théorie pour les gouverner tous

1. Voir chapitre 2.

2. Hooper D., Nature’s Blueprint, New York, HarperCollins, 2008, p. 193.

3. Castelvecchi D., « Is supersymmetry dead ? », Scientific American, mai 2012.

4. Gross D., « Einstein and the search for unification », Current Science, 89 (12), 2005, p. 25.

5. Cité dans Cho A., « Physicists’ nightmare scenario : the Higgs and nothing else », Science, 315, 2007, p. 1657-1658.

6. Wilczek F., « Power over nature », Edge, 20 avril 2016.

7. McAllister J. W., Beauty and Revolution in Science, Ithaca (NY), Cornell University Press, 1996.

8. Mulvey P. J., Nicholson S., « Trends in physics PhDs », Focus on, College Park (MD), AIP Statistical Research Center, février 2014.

9. Forman P., Heilbron J. L., Weart S., « Physics circa 1900 », dans McCormmach R. (éd.), Historical Studies in the Physical Sciences, vol. 5, Princeton (NJ), Princeton University Press, 1975.

10. Sinatra R. et al., « A century of physics », Nature Physics, 11, 2015, p. 791-796.

11. Larsen P. O., Ins M. von, « The rate of growth in scientific publication and the decline in coverage provided by Science Citation Index », Scientometrics, 84 (3), 2010, p. 575-603.

12. Sinatra R. et al., « A century of physics », Nature Physics, 11, 2015, p. 791-796.

13. Palmer C. L., Cragin M. H., Hogan T. P., « Information at the intersections of discovery : Case studies in neuroscience », Proceedings of the Association for Information Science and Technology, 41, 2004, p. 448-455.

14. Uzzi B., Mukherjee S., Stringer M., Jones B., « Atypical combinations and scientific impact », Science, 342 (6157), 2013, p. 468-472.

15. Sinatra R. et al., « A century of physics », Nature Physics, 11, 2015, p. 791-796.

16. King C., « Single-author papers : a waning share of output, but still providing the tools for progress », Science Watch, récupéré en janvier 2016.

http://sciencewatch.com/articles/single-author-papers-waning-share-output-still-providing-tools-progress.

17. Maher B., Anfres M. S., « Young scientists under pressure : what the data show », Nature, 538, 2016, p. 44-45.

18. Hippel T. von, Hippel C. von, « To apply or not to apply : a survey analysis of grant writing costs and benefits », PLoS One, 10 (3), 2015, e0118494.

19. Chubba J., Watermeyer R., « Artifice or integrity in the marketization of research impact ? Investigating the moral economy of (pathways to) impact statements within research funding proposals in the UK and Australia », Studies in Higher Education, 42 (12), février 2016, p. 2360-2372.

20. Un titulaire a obtenu un contrat à durée indéterminée, et qui ne peut être rompu sans raison valable. La mauvaise conduite ou le mauvais comportement peut constituer une raison valable, mais pas le fait d’avoir des opinions scientifiques ennuyeuses. C’est à peu près la même chose dans tous les pays. L’objectif des postes titularisés est (devrais-je dire « était ») de protéger les universitaires contre le risque d’être renvoyés parce qu’ils travaillent sur des sujets de recherche impopulaires ou provocateurs. Il m’arrive parfois de croiser des gens (des Américains, la plupart du temps) qui ont l’air de trouver que les universitaires qui bénéficient de cette sécurité de l’emploi jouissent d’un privilège inique. Une critique injuste, car sans cette sécurité de l’emploi, la recherche universitaire court le risque sérieux de gaspiller l’argent du contribuable.

21. Shulman S., Hopkins B., Kelchen R., Mastracci S., Yaya M., Barnshaw J., Dunietz S., « Higher education at a crossroads : the economic value of tenure and the security of the profession », Academe, mars-avril 2016, p. 9-23.

https://www.aaup.org/sites/default/files/2015-16EconomicStatusReport.pdf.

22. Brembs B., « Booming university administrations », Björn.Brembs. Blog, 7 janvier 2015.

http://bjoern.brembs.net/2015/01/booming-university-administrations.

23. Foster J. G. et al., « Tradition and innovation in scientists’ research strategies », Am Sociol Rev, 80 (5), 2015, p. 875-908.

24. Weaver K., Garcia S. M., Schwarz N., Miller D. T., « Inferring the popularity of an opinion from its familiarity : a repetitive voice can sound like a chorus », J Pers Soc Psychol, 92 (5), 2007, p. 821-833.

25. Odenwald S., « The future of physics », Huffington Post, 26 janvier 2015.

https://www.huffingtonpost.com/dr-sten-odenwald/the-future-of-physics_b_6506304.html.

26. Lykken J., Spiropulu M., « Supersymmetry and the crisis in physics », Scientific American, 1er mai 2014.

27. Khosrovshahi G. B., entretien avec Alain Connes, récupéré en 2016. www.freewebs.com/cvdegosson/connes-interview.pdf.

28. Kac M., « Can one hear the shape of a drum ? », Amer Math Monthly, 73 (4), 1966, p. 1-23.

29. Chamseddine A. H., Connes A., Marcolli M., « Gravity and the standard model with neutrino mixing », Adv Theor Math Phys, 11, 2007, p. 991-1089, arXiv:hep-th/0610241.

30. Connes A., « Irony », Noncommutative Geometry, 4 août 2008. http://noncommutativegeometry.blogspot.de/2008/08/irony.html.

31. Chamseddine A. H., Connes A., « Resilience of the spectral standard model », J High Energy Phys, 1209, 2012, p. 104, arXiv:1208.1030 [hep-ph].

32. Hebecker A., Wetterich W., « Spinor gravity », Phys Lett B, 574, 2003, p. 269-275, arXiv:hep-th/0307109 ; Finster F, Kleiner J. « Causal fermion systems as a candidate for a unified physical theory », J Phys. Conf Ser, 626, 2015, 012020, arXiv:1502.03587 [math-ph].

33. La théorie des dimensions additionnelles de l’espace, qui date des années 1930 et que nous avons brièvement croisée dans le chapitre 1.

34. Lisi A. G., « An exceptionally simple theory of everything », 2007, arXiv:0711.0770 [hep-th].

35. Lisi A. G., Weatherall J. O., « A geometric theory of everything », Scientific American, décembre 2010.

Chapitre 8 : L’espace, ultime frontière

1. Absence des fantômes.

2. Kachru S., Kallosh R., Linde A., Trivedi S. P., « De Sitter vacua in string theory », Phys Rev, D68, 2003, 046005, arXiv:hep-th/0301240.

3. Hossenfelder S., « Whatever happened to AdS/CFT and the quark gluon plasma ? », Backreaction, 12 septembre 2013. http://backreaction.blogspot.com/2013/09/whatever-happened-to-adscft-and-quark.html.

4. Conlon J., Why String Theory ?, Boca Raton (FL), CRC Press, 2015, p. 135.

5. Dyson F., « Birds and frogs », Notices of the AMS, 56 (2), 2009, p. 221.

6. Pour en savoir plus, voir dans cet ouvrage merveilleux le lien entre les cordes et les mathématiques : Yau S.-T., Nadis S., The Shape of Inner Space : String Theory and the Geometry of the Universe’s Hidden Dimensions, New York, Basic Books, 2012.

7. On peut trouver une description presque digeste de cette relation dans Ronan M., Symmetry and the Monster : the Story of one of the Greatest Quests of Mathematics, Oxford (UK) Oxford University Press, 2006.

8. On cite souvent plus précisément cette relation comme étant la dualité AdS/CFT pour souligner que la théorie gravitationnelle est dans un espace anti de Sitter (AdS) (un espace-temps avec une constante cosmologique négative) et que la théorie de jauge est une théorie conforme des champs (CFT) (supersymétrique) dans un espace à une dimension de moins, similaire, mais pas identique aux théories du modèle standard.

9. Polchinski J., « String theory to the rescue », 2015, arXiv: 1512.02477 [hep-th].

10. La section efficace des bosons W qui se diffusent en s’entrechoquant.

11. Polchinski J., « Monopoles, duality, and string theory », Int J Mod Phys, A19S1, 2004, p. 145-156, arXiv:hep-th/0304042.

12. Le recours au terme « information » est quelque peu trompeur, car le problème ne dépend pas de ce que l’on entend exactement par information. La source du problème, c’est que l’évaporation du trou noir est fondamentalement irréversible.

13. Almheiri A., Marolf D., Polchinski J., Sully J., « Black holes : complementarity or firewalls ? », J High Energy Phys, 2013 (2), 2013, p. 62, arXiv:1207.3123 [hep-th]. Ou ont prétendu démontrer ‒ leur démonstration repose sur une supposition cachée et inutile qui peut être ignorée, ce qui fait disparaître le problème dans son ensemble. Voir Hossenfelder S., « Disentangling the black hole vacuum », Phys Rev D, 91, 2015, 044015, arXiv:1401.0288.

14. Les trois autres sont la mort, la solitude et la liberté. Voir Yalom I. D., Existential Psychotherapy, New York, Basic Books, 1980.

15. Greene A., « Stephen King : the Rolling Stone interview », Rolling Stone, 31 octobre 2014.

16. Conlon J., Why String Theory ?, Boca Raton (FL), CRC Press, 2015, p. 236.

17. Witten E., « Viewpoints on string theory », Nova : The Elegant Universe (PBS), 2003.

http://www.pbs.org/wgbh/nova/elegant/viewpoints.html.

18. Brink L., Henneaux M., Principles of String Theory, Boston, Springer, 1988.

19. Greene B., The Elegant Universe : Superstrings, Hidden Dimensions, and the Quest for the Ultimate Theory, New York, W. W. Norton, 1999, p. 82.

20. La mienne est sans doute la moins populaire de toutes, puisque je prétends que nous nous trompons de problème à résoudre ‒ que ce qu’il nous faut comprendre, ce n’est pas ce qui arrive à la gravité à de courtes distances, mais ce qui arrive à la quantification à de courtes distances. Voir Hossenfelder S., « A possibility to solve the problems with quantizing gravity », Phys Lett B, 725, 2013, p. 473-476, arXiv:1208.5874 [gr-qc].

21. Gu Z.-C., Wen X.-G., « Emergence of helicity +/- 2 modes (gravitons) from qubit models », Nuclear Physics B, 863, 2012, arXiv:0907.1203 [gr-qc].

22. Ce n’est pas le seul problème mathématique lié au modèle standard ou plus généralement aux théories quantiques des champs. Un autre problème est le théorème de Haag, qui postule que toutes les théories quantiques des champs sont futiles et sans importance sur le plan de la physique. Ce qui est quelque peu dérangeant, aussi les physiciens préfèrent-ils l’ignorer.

Chapitre 9 : L’univers, tout et le reste

1. Vinkers C. H., Tijdink J. K., Otte W. M., « Use of positive and negative words in scientific PubMed abstracts between 1974 and 2014 : retrospective analysis », BMJ, 351, 2015, h6467.

2. Aux États-Unis, l’inégalité des revenus dans le monde universitaire est aujourd’hui plus importante que dans l’industrie ou l’administration. Voir Lok C., « Science’s 1 % : how income inequality is getting worse in research », Nature, 537, 2016, p. 471-473.

3. C’est important, car cela veut dire que les mauvaises pratiques scientifiques peuvent devenir la norme même si aucun scientifique, individuellement, ne change de comportement. Voir par exemple Smaldino P. E., McElreath R., « The natural selection of bad science », Royal Society Open Science, 3, 2016, 160384, arXiv:1605.09511 [physics.soc-ph].

4. Hoyle F., « Concluding remarks », Proc Royal Soc A, 301, 1967, p. 171. Hoyle raconte aussi que Baade a profité de l’occasion pour parier avec Pauli que le neutrino serait découvert. Baade a finalement remporté son pari, en champagne, quand Cowen et Reines ont annoncé avoir réussi à détecter le neutrino.

5. Freese K., Cosmic Cocktail : Three Parts Dark Matter, Princeton (NJ), Princeton University Press, 2014.

6. Feng J. L., « Collider physics and cosmology », Class Quant Grav, 25, 2008, 114003, arXiv:0801.1334 [gr-qc] ; Buckley R. B., Randall L., « Xogenesis », J High Energy Phys, 1109, 2011, 009, arXiv:1009.0270 [hep-ph].

7. Baudis L., « Dark matter searches », Ann Phys (Berlin), 528 (1-2), 2015, p. 74-83, arXiv:1509.00869 [astro-ph.CO].

8. Goodman M. W., Witten E., « Detectability of certain dark-matter candidates », Phys Rev D, 31 (12), 1985, p. 3059-3063.

9. Gelmini G., « Bounds on galactic cold dark matter particle candidates and solar axions from a Ge-spectrometer », dans Hinchliffe I. (éd.), Proceedings of the Theoretical Workshop on Cosmology and Particle Physics : July 28-Aug. 15, 1986, Lawrence Berkeley Laboratory, Berkeley, California, Singapore, World Scientific, 1987.

10. La collaboration DAMA a détecté des événements d’origine inconnue, statistiquement significatifs, dont la fréquence change périodiquement au cours d’une année (Bernabei R., « First results from DAMA/LIBRA and the combined results with DAMA/NaI », Eur Phys J, C56, 2008, p. 333-355, arXiv:0804.2741 [astro-ph]). Ils voient ce signal depuis plus de dix ans. C’est à ce genre de modulation annuelle que l’on peut s’attendre de la part de la matière noire, car la probabilité qu’un signal de la matière noire soit détecté dépend de la direction dans laquelle tombent les particules de matière noire. Puisque la Terre, dans son parcours autour du Soleil, traverse le nuage supposé de matière noire, la direction du flux de matière noire en approche change au cours de l’année. Malheureusement, d’autres expériences ont exclu que le signal de DAMA soit causé par la matière noire parce que si c’était le cas cela aurait dû également se voir avec d’autres détecteurs, ce qui ne s’est pas produit. Aujourd’hui, personne ne sait ce que DAMA détecte.

11. Benoit A. et al., « First results of the EDELWEISS WIMP search using a 320 g heat-and-ionization Ge detector », Phys Lett B, 513, 2001, p. 15-22, arXiv: astro-ph/0106094.

12. Xenon100 Collaboration, « Limits on spin-dependent-WIMP-nucleon cross sections from 225 live days of XENON100 data », Phys Rev Lett, 111, 2013, 021301, arXiv:1301.6620 [astro-ph.CO].

13. Certains spécialistes considèrent que l’espace de paramètres du miracle WIMP n’a pas été exclu et soutiennent que des fragments de cet espace sont encore autorisés. Ce désaccord s’explique par le fait qu’il n’y a pas un, mais plusieurs modèles de WIMP. La WIMP originale avait une interaction provoquée par un boson faible et était classifiée par un groupe de symétries spécifique. Cette variante a été écartée, mais d’autres façons de provoquer l’interaction ou d’autres types de particules sont toujours compatibles avec les données actuelles.

14. C’est le cas si les axions sont produits avant l’inflation. S’ils sont produits après l’inflation, la densité du condensat d’axions pourrait être exactement ce qui est nécessaire pour constituer la matière noire. Mais le condensat est un patchwork de régions séparées par des frontières dites « parois magnétiques », et ces dernières ont une densité énergétique trop élevée pour être compatibles avec les observations.

15. Milgrom M., « A modification of the Newtonian dynamics ‒ implications for galaxies », Astrophys J, 270, 1983, p. 371.

16. Voir par exemple Moffat J. W., Rahvar S., « The MOG weak field approximation and observational test of galaxy rotation curves », Mon Notices Royal Astron Soc, 436, 2013, p. 1439, arXiv:1306.6383 [astroph.GA]. Voir d’autres articles des mêmes auteurs.

17. Berezhiani L., Khoury J., « Theory of dark matter superfluidity », Phys Rev D, 92, 2015, p. 103510, arXiv:1507.01019 [astro-ph.CO]. Une idée comparable a été auparavant proposée par Bruneton J.-P., Liberati S., Sindoni L., Famaey B., « Reconciling MOND and dark matter ? », JCAP, 3, 2009, p. 21, arXiv:0811.3143 [astro-ph].

18. Si vous cherchez la constante cosmologique, la valeur actuelle est citée comme étant L aux environs de 10-52/m2. Ce n’est pas à cela que les physiciens des particules font référence en tant qu’échelle de la constante cosmologique. Au lieu de cela, ils utilisent la densité de l’énergie liée à la constante cosmologique, qui est c4 L/G (où G est la constante de Newton et c la vitesse de la lumière), la multiplient par ℏ3, et en prennent la racine quatrième, ce qui donne à peu près 104/m ou, en prenant l’inverse, à une échelle de distance d’environ 1/10 de mm. En termes d’échelles de distance, la différence avec la longueur de Planck est d’environ 30 ordres de grandeur (voir figure 14). En termes de densité d’énergie, on en a à la puissance quatre, ce qui aboutit à la différence de 120 ordres de grandeur, plus souvent citée, mais quelque peu trompeuse.

19. Boyle L. A., Steinhardt P. J., Turok N., « Inflationary predictions for scalar and tensor fluctuations reconsidered », Phys Rev Lett, 96, 2006, 111301, arXiv:astro-ph/0507455.

20. La gaussianité et les corrélations TE, pour citer les plus importantes.

21. Martin J., Ringeval C., Trotta R., Vennin V., « The best inflationary models after Planck », JCAP, 1403, 2014, 039, arXiv:1312.3529 [astro-ph.CO].

22. Azhar F., Butterfield J., « Scientific realism and primordial cosmology », dans Saatsi J. (éd.), The Routledge Handbook of Scientific Realism, New York, Routledge, 2017, arXiv:1606.04071 [physics.hist-ph].

23. Silk J., « The dark side of the universe », Astron Geophys, 48 (2), 2007, p. 2.30-2.38.

24. Ijjas A., Steinhardt P. J., Loeb A., « Pop goes the universe », Scientific American, janvier 2017.

25. Hawking S. W., Ellis G. F. R., The Large Scale Structure of Space-Time, Cambridge (RU), Cambridge University Press, 1973.

26. Ellis G. F. R., « Cosmology and verifiability », QJRAS, 16, 1975, p. 245-264.

27. Stepnes S., « Detector challenges at the LHC », Nature, 448, 2007, p. 290-296.

28. Ellis G. F. R., Brundrit G. B., « Life in the infinite universe », QJRAS, 20, 1979, p. 37-41.

29. Hilbert D., « Über das Unendliche », Mathematische Annalen, 95, Berlin, Springer, 1926.

30. Krauss L., « The consolation of philosophy », Scientific American, 27 avril 2012.

31. Weinberg S., Dreams of a Final Theory : the Scientist’s Search for the Ultimate Laws of Nature, New York, Vintage, 1994.

32. Hawking S., Mlodinow L., The Grand Design, New York, Bantam, 2010.

33. Pigliucci M., 2012 « Lawrence Krauss : another physicist with an anti-philosophy complex », Rationally Speaking, 25 avril 2012. http://rationallyspeaking.blogspot.de/2012/04/lawrence-krauss-another-physicist-with.html.

34. Maudlin T., « Why physics needs philosophy », The Nature of Reality (blog, PBS), 23 avril 2015.

www.pbs.org/wgbh/nova/blogs/physics/2015/04/physics-needs-philosophy/.

Chapitre 10 : La connaissance, c’est le pouvoir

1. Hooper D., Nature’s Blueprint, New York, HarperCollins, 2008, p. 5.

2. Rutjens B. T., Heine S. J., « The immoral landscape ? Scientists are associated with violations of morality », PLoS ONE, 11 (4), 2016, e0152798.

3. Watson J. D., The Double Helix : a Personal Account of the Discovery of the Structure of DNA, New York, Touchstone, 2001, p. 210.

4. Fleming P. A., Bateman P. W., « The good, the bad, and the ugly : which Australian terrestrial mammal species attract most research ? », Mammal Rev, 46 (4), 2016, p. 241-254.

5. « Je me hasarderais à dire que la principale raison pour laquelle ces techniques de séries temporelles statistiques n’ont pas été intégrées et utilisées dans les prédictions officielles du climat tient à l’esthétique ‒ un sujet dont je doute qu’il soit abordé lors des réunions de l’IPCC [Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat] » (Orrell D., Truth or Beauty : Science and the Quest for Order, New Haven (CT), Yale University Press, 2012, p. 214).

6. Krugman P., « How did economists get it so wrong ? », New York Times, 2 septembre 2009.

7. Voir par exemple Farmer J. D., Geanakoplos J., « The virtues and vices of equilibrium and the future of financial economics », 2008, arXiv:0803.2996 [q-fin.GN].

8. Actuellement de 3,8 σ. Voir Yue A. T. et al., « Improved determination of the neutron lifetime », Phys Rev Lett, 111, 2013, p. 222501, arXiv:1309.2623 [nucl-ex].

9. Patrignani C. et al. (Particle Data Group), Review of Particle Physics, Chin Phys C, 40, 2016, 100001.

10. Baker M., « 1,500 scientists lift the lid on reproducibility », Nature, 533, 2016, p. 452-454.

11. Je pense que le paradoxe du mur de feu repose simplement sur une mauvaise démonstration. Voir Hossenfelder S., « Disentangling the black hole vacuum », Phys Rev D, 91, 2015, 044015, arXiv:1401.0288. Mais quel que soit son statut, il est intéressant de voir quelles conséquences mes collègues en ont tirées.

12. Maldacena J., Susskind L., « Cool horizons for entangled black holes », Fortschr Physik, 61 (9), 2013, p. 781-811, arXiv:1306.0533 [hep-th].

13. Le trou de ver est connu sous le nom de pont Einstein-Rosen (ER), et les particules intriquées sont également connues en tant qu’états EPR parce qu’elles ont été évoquées pour la première fois par Einstein, Podolsky et Rosen (Einstein A., Podolsky B., Rosen N., « Can quantum-mechanical description of physical reality be considered complete ? », Phys Rev, 47, 1935, p. 777). La supposition que les deux décrivent la même connexion est entrée dans la littérature sous la forme ER = EPR.

14. Lire également Banaji M. R., Greenwald A. G., Blindspot : Hidden Biases of Good People, New York, Delacorte, 2013 ; Kahneman D., Thinking, Fast and Slow, New York, Penguin, 2012.

15. Balcetis E., « Where the motivation resides and self-deception hides : how motivated cognition accomplishes self-deception », Social and Personality Psychology Compass, 2 (1), 2008, p. 361-381.

16. Bon, d’accord, il n’a pas vraiment dit ça, mais cette version est une paraphrase largement répandue de sa déclaration : « Une nouvelle vérité scientifique ne triomphe jamais en convainquant les opposants et en leur faisant voir la lumière, mais plutôt parce que ses opposants finissent par mourir, et qu’il arrive une nouvelle génération à qui cette vérité est familière » (Planck M., Wissenschaftliche Selbstbiographie. Mit einem Bildnis und der von Max von Laue gehaltenen Traueransprache, Leipzig, Johann Ambrosius Barth Verlag, 1948, p. 22).

17. Stanovich K. E., West R. F., « On the relative independence of thinking biases and cognitive ability », J Pers Soc Psychol, 94 (4), 2008, p. 672-695.

18. Cruz M. G., Boster F. J., Rodriguez J. I., « The impact of group size and proportion of shared information on the exchange and integration of information in groups », Communic Res, 24 (3), 1997, p. 291-313.

19. Wolchover N., « Supersymmetry bet settled with cognac », Quanta Magazine, 22 août 2016.

Appendice A

1. Il y a beaucoup d’excellents ouvrages sur le modèle standard et les accélérateurs de particules, qui donnent plus de détails qu’il ne m’est nécessaire ici. Pour n’en citer que deux, parmi les plus récents : Carroll S., The Particle at the End of the Universe : How the Hunt for the Higgs Boson Leads us to the Edge of a New World, New York, Dutton, 2013 ; Moffat J., Cracking the Particle Code of the Universe : the Hunt for the Higgs Boson, Oxford (UK), Oxford University Press, 2014.

2. Eberhart O et al., « Impact of a Higgs boson at a mass of 126 GeV on the standard model with three and four fermion generations », Phys Rev Lett, 109, 2012, 241802, arXiv:1209.1101 [hep-ph].

Appendice B

1. Si les physiciens font confiance au découplage des échelles, c’est à cause d’un article de 1975 qui démontre le découplage dans les théories quantiques des champs dans certaines circonstances. La démonstration repose néanmoins sur la renormalisabilité et utilise un schéma de renormalisation dépendant de la masse, deux suppositions sujettes à caution. Voir Appelquist T., Carazzone J., « Infrared singularities and massive fields », Phys Rev, D11, 28565, 1975.

2. Anderson G., Castano D., « Measures of fine tuning », Phys Lett B, 347, 1995, p. 300-308, arXiv:hep-ph/9409419.

3. Pour plus de précisions, voir Hossenfelder S., « Screams for explanation : finetuning and naturalness in the foundations of physics », 2018, arXiv:1801.02176.

Index

A

Accélérateurs de particules, 70, 71

Action étrange à distance, 152

Adams, Fred, 143, 307

ADD, modèle, 29

Ajustement

En tant que maladie, 103

En tant que signal de changement, 101

Esthétique de, 246

Masse du boson de Higgs et, 86

Naturel et, 55, 56, 289, 291

Nombres adimensionnels et, 87

Résolution et naturel comparés à, 67

Supersymétrie et, 87, 103, 184

Synonyme de honte, 102

Allanach, Ben, 84, 304

Altarelli, Guido, 84

Amati, Daniele, 226

Analogie de l’éleveur de chevaux, 43, 123, 185

Anaximandre, 124

Anthropique, principe, 141, 142, 247, 253

Beauté et, 186

Multivers et, 142

Anything goes, 238

Applicabilité, 116

Aristote, 123, 171, 172

Arkani-Hamed, Nima

Dimensions supplémentaires et, 29

Exploits de, 90

Split SUSY et, 103

Sur la beauté, 90

Sur la rigidité, 96, 97

Sur la supersymétrie, 106, 108

Sur le naturel, 29, 90, 103, 105

Astrokatie, 244

Astronomie, 77, 78

Astrophysique, 18

Asymptotique, liberté, 180

ATLAS, 109, 110, 179

Atomes, 64

Attention, biais, 192, 277

Attrait

De la coïncidence, 138

De la supersymétrie, 24

Du naturel, 87

Auto-énergie, 101

Axion, 183, 282

En tant que matière noire, 245, 246

En tant que solution du problème CP fort, 94

Invisible, 245

Axions et, 245

B

Baer, Howard, 102, 285

Baryons, 42

Beauté

Danger de, 44

Dans la physique théorique, 180

Dans le modèle des quarks, 42

De Dieu, 35

De la rigidité, 124

De la supersymétrie, 178, 217

De la théorie des cordes, 218

Du chaos, 192

Économie et, 181

En tant que biais systémique, 24

En tant que guide, 45

En tant que guide prometteur, 44

En tant que guide trompeur, 45

Expérience et, 123, 124

Foi dans, 39, 43

Justification de, 251

Laideur et, 36

Lois de la nature et, 15, 17, 36, 37

Mal définie, 217

Mal représentée, 91

Orbite planétaire et, 35

Origine des arguments de, 34

Quête de, 268, 269

Reconnaissance universelle de, 15

Révolution et, 160, 186

Rigidité et, 96

Simplicité et, 181

Symétrie et, 181

A Beautiful Question (Wilczek), 44, 180

Beauty and Revolution in Science (McAllister), 159

Biais, 274, 275, 276, 277, 278, 293

Biais de désirabilité sociale, 275

Biais social, 276, 277, 278, 293, 296

Big Bang

Biais esthétique contre, 47

Laideur repoussante de, 46, 47

Multiple, 127

Bohr, Niels, 18, 89, 159

Boltzmann, Ludwig, 49

Bondi, Hermann, 47

Bose, Satyendranath, 25

Boson, 25, 27, 287

De jauge, 73

Mécanique quantique de, 162, 163

Supersymétrie et, 218

Boson de Higgs

Décomposition de, 85

Découverte de, 17, 76

Grande unification et, 176

Interaction électrofaible et, 175

Masse de, 55, 56, 57, 85, 86, 194, 217, 247, 248

Modèle standard et, 216

Naturel technique et, 102

Superpartenaires et, 56, 57, 85, 86

Bosons

Formation par les fermions, 194

Bousso, Raphael, 223, 306

Brahé, Tycho, 99, 304

Branes, dans la théorie des cordes, 211

Brownien, mouvement, 63

Bruit, 113

C

Calabi-Yau, variété de, 211

Carr, Bernard, 128, 306

Carroll, Sean, 156, 224, 308, 318

CC. Voir constante cosmologique

CERN. Voir Conseil européen pour la recherche nucléaire

Champs, 49, 74

Chaos

Beauté de, 192

Déterministe, 38

Charm, quark, 102

Chimie, 25, 143

Chimiques, propriétés, 61

Chromodynamique quantique, 208, 211

Clarke, John, 113, 114, 146, 305

CMS, 109, 110

Cognitifs, biais, 275, 276, 277, 278, 293, 296

Cognition motivée, 225, 276

Cohérence mathématique, 124, 125, 126

Coïncidence, 16, 140, 241

Collaboration, 189

Collectif, mouvement, 192

Collision de bulles, 134

Compactification, 208, 209

Concordance, modèle de, 79

Expansion de l’univers dans le, 79, 80, 81

Extrapolation du, 130, 131

Modèle standard et, 95

Problèmes du, 95

Confirmation, biais, 275, 276

Conlon, Joseph, 210, 226, 312, 313

Connes, Alain, 193, 194, 311, 312

Conseil européen pour la recherche nucléaire, 15

Construction sociale, 237

Conventionalité, 189

Copenhague, École de, 155, 156

Copernic, Nicolas, 99, 160

Cosmologie, 18, 47

Cosmologie de l’état quasi constant, 48

Cosmologique, constante (CC), 217, 251, 252, 253

Calcul de, 224

Énergie noire et, 81

Introduction de, 47

Multivers et, 144, 223, 224

Naturel de, 103

Supersymétrie et, 218

Théorie des cordes et, 209

Cosmologique, fond diffus, 47, 83, 254

Inflation éternelle et, 134

Matière noire et, 240

Température du, 83, 223

Cosmologique, horizon, 128, 130

Couplage, constante de, 106, 108

Couplage de jauge, 106

Courbure de l’espace-temps, 79, 80

Gravité et, 97

CP, symétrie, 93, 94

Critique, en tant que partie de la recherche, 294, 296

D

Davies, Paul, 92, 127, 304, 306, 307

Dawid, Richard, 50, 54, 213, 219, 285, 302

Quantification de l’élégance par, 120

Sur la physique post-empirique, 182, 183

Sur l’évaluation non empirique des théories, 51, 213

De Broglie-Bohm, théorie, 156

Décohérence, 153, 157, 158

Découplage, 63

Développement des théories, 14

Élégance dans, 120

Mathématiques dans, 20

Naturel dans, 116, 118, 119

Simplicité dans, 115, 116

Dieu, 33, 35, 36, 39, 100, 139, 255, 258

Dimensions supplémentaires

Dans la théorie des cordes, 208

Test de, 29

Dimopoulos, Savas, 29, 299

Diphoton, anomalie du, 110, 137, 217, 282

Dirac, Paul, 37, 50, 100, 101, 218, 302

Distler, Jacques, 202

Distribution de probabilité, 119, 290, 291

Décohérence et, 153

De la constante cosmologique, 144

Pour les lois de la nature, 139

Pour les multivers, 134

Uniforme, 289

Divinité, 33

Dodécaphonique, musique, 145, 146

Double pendule, 164

Dualité jauge/gravité, 212, 219, 221, 222, 274

Dualité, transformations de, 211

Duff, Michael, 192

Dvali, Gia, 29, 299

Dynamique newtonienne modifiée, 249

Dyson, Freeman

Sur la théorie des cordes, 210

E

E8, groupe de Lie, 199, 200

Échelles, séparation, 63

Économie, 269, 270, 271

Économie, beauté et, 181

Économie de pensée, 38

Éconophysique, 269

Eddington, Arthur, 47

Effet de simple exposition, 192, 277

Ehrenfest, Paul, 49

Einstein, Albert, 22, 115

Constante cosmologique et, 47

Descendants intellectuels, 39

Réalité considérée comme de la pensée pure et, 37

Relativité spéciale de, 75

Sur la mécanique quantique, 167

Sur la vitesse de la lumière, 128

Sur les paramètres, 116

Einstein, lune, 168

Électrodynamique, 49, 50

Non quantifiée, 101

Quantifiée, 49, 50, 93, 173

Électrodynamique quantique

Développement de, 173

Symétrie CP et, 94

Électrofaible, interaction, 43, 173, 287

Dans la théorie de jauge, 106

Symétrie CP et, 93

Symétrie de, 175

Électromagnétique, interaction, 43, 74

Électromagnétisme, 172

Électrons, 25, 50, 173, 287

Dans la théorie quantique des champs, 197

Masse de, 101, 184

Microscopie avec, 70

Structure de l’enveloppe de, 61

Électronvolt (eV), 29

Élégance, 178

Dans le développement des théories, 120

En éconophysique, 270

En mécanique quantique, 156

Reconnaissance universelle, 15

Théories non testées et, 14

The Elegant Universe (Greene), 44, 91

Élémentaire, particules, 19, 20, 93

En tant que choses élémentaires, 69

Fonction d’ondes et, 69

Gravité entre, 95

Interaction nucléaire forte et, 43

Supersymétrie et, 24

Élémentaires, unités, 229

Éléments, 172

Ellis, George, 51, 127, 255

Sur la confiance, 259

Sur les multivers, 259

Sur l’évaluation des théories, 256, 260

Sur l’infini, 260, 261

Ellis, Jonathan, 84

Émancipation de la dissonance, 145

Empédocle, 171

Énergie

De Planck, 215, 216, 252

Vide, 168, 252

Énergie noire, 18, 253

Contenue dans l’univers, 80, 81

Dans l’expansion de l’univers, 83

Dans l’univers primitif, 81, 83

Problèmes liés à, 94

Épicycles, 35, 247

Équilibre, 271

Espace, 19, 130

Espace des théories, 66

Espace interne, 71, 72

Espace multi-dimensionnel, 13

Espace-temps, 36

Dans le modèle de concordance, 79, 81

Dans l’univers primitif, 82

Extrapolation du comportement de, 131

Gravité et, 97

Rotation, 75

Éternelle, inflation, 130, 131, 132, 134, 227, 306

Évaluation des théories, 256, 257, 278

Non empirique, 51, 52, 213

Tests expérimentaux et, 52

Évaluation non empirique des théories, 51, 52, 213

eV. Voir électronvolt

Exactitude, simplicité et, 115

F

Fabricius, David, 34, 35

Falsification, 59

Farmer, Doyne, 269, 271, 272

Faux consensus, effet de, 276

Fearful Symmetry (Zee), 39

Fen, Jonathan, 242

Fermi, Enrico, 25, 41, 43, 57

Fermions

Descriptions géométriques des, 197, 203

Électrons en tant que, 61

Générations de, 76, 93, 94, 200, 287

Masses des, 93

Mécanique quantique des, 162, 163

Supersymétrie et, 198, 218

Symétrie avec bosons de, 27

Feynman, Richard, 18, 50, 308

Financement, 190, 237, 238

Fluctuations quantiques, 55, 56

À proximité des trous noirs, 221

Inflation éternelle et, 131

Foi dans la beauté, 39, 43

Fonction d’ondes, 69

Approche des histoires multiples, 158

Approche psi-épistémique de, 155, 156

Approche psi-ontique de, 155

Mécanique quantique et, 69

Mesurabilité de, 129

Mesure de, 150, 151

Fondamentale, symétrie, 174, 175

Fondamentale, théorie, 47, 137, 138, 191

Fondations, physique des, 44, 64, 237, 238

Fondations quantiques, 18, 19, 157, 168, 169

Force classique, 77

Force fondamentale, 77

Forshaw, Jeff, 26, 299

Freese, Katherine, 242

G

Galaxies, 63, 100, 130, 239, 240

Galilée, 34

Gell-Mann, Murray, 41, 42, 43, 301

Géométrie spectrale, 194

Giudice, Gian Francesco, 15, 16, 28, 66, 192, 267, 285, 299

Glashow, Sheldon, 76, 303

Gluons, 287

Gold, Thomas, 47

Goodman, Mark, 242, 314

Grande symétrie unifiée, 175

Grande théorie unifiée, 94, 174

Grande unification, 94

Gravitation and Cosmology (Weinberg), 122

Gravité

Dans le développement de l’univers, 83

Entre particules élémentaires, 95

Espace-temps courbe et, 97

Modèle standard et, 77, 252

Modification de, 248, 249, 250

Newton, 35, 172

Relativité générale et, 22

Spinorielle, 194

Théorie des cordes et, 181, 182, 208, 211

Gravité quantique

À boucles, 226, 228

Développement de, 95, 221

Phénoménologie, 214, 215

Test, 215

Graviton, 330

Greene, Brian, 44, 91, 92, 121, 122, 258

Gross, David, 44, 54, 127, 179, 180

Groupe Monstre, 119, 212

Groupes de symétrie, 175, 177

Groupe (symétrie), 174

GUT. Voir Grande théorie unifiée

H

Harmonices Mundi (Kepler), 35

Harmonie

Dans les lois de la nature, 33

De l’univers, 35

Économie de pensée, 38

Interprétation de, 34

Hawking, Stephen

Sur la mort de la philosophie, 263

Sur le modèle standard, 92

Sur l’évaporation des trous noirs, 220

Sur l’existence de Dieu, 256

Heisenberg, Werner, 38, 46, 89

Hooper, Dan, 26, 178, 192, 267

Horgan, John, 128

Horizon des événements, 219, 220, 222

Hoyle, Fred, 47, 48, 141, 142

Hubble, Edwin, 47

Hume, David, 257

Hydrogène, 62, 69

Hypercharge, 41

Hypothèse des grands nombres, 100, 101

Hypothèse de simulation, 258

I

Infinis, 260, 261

Inflation, 131, 253, 254

Inflaton, 131, 253, 254

Infrarouges, longueurs d’onde, 78

Innovation, 191, 235

Intelligence artificielle, 164, 165, 166

Interaction faible, 43, 74, 93, 173

Interaction forte, 43, 74, 173, 245

Axions et, 245

Dans la théorie de jauge, 106

Groupe de symétrie pour, 175

Symétrie CP et, 94

Théorie de perturbation et, 232

Théorie des cordes et, 208, 210

International Linear Collider, 105

Intuition, 163, 165, 280, 281

Invisibles, axions, 245

Ionisation, 242

Isospin, 41

Isotopes, 162

K

Kaku, Michio, 92

Kaluza-Klein, théorie de, 198

Kane, Gordon, 53, 54, 55, 58, 59, 110, 161, 202, 267

Kant, Emmanuel, 257

Kelvin, Lord, 49

Kent, Adrian, 157

Kepler, Johannes, 34, 35, 46, 138

Kragh, Helge, 37, 51

Krämer, Michael, 24, 27, 28, 30

Krauss, Lawrence, 180, 256, 257, 263

Krenn, Mario, 164

L

La Lentille de diamant (Linley), 68

Large Electron Positron (LEP), collisionneur, 27, 104, 184

Large Hadron Collider (LHC), 15, 16

Boson de Higgs et, 17, 85

Dimensions supplémentaires dans, 29

Énergie testée dans, 80

Modèle standard et, 137

Naturel et, 103, 104

Résolution de, 71

Résultats de la seconde injection, 109

Superpartenaires et, 202

Supersymétries et, 27, 54, 57, 84, 97

Théorie des cordes et, 210

LCDM, 83

Lederman, Leon, 41, 43, 57, 301, 303

Leibniz, Gottfried Wilhelm, 35, 36, 300

Lemaître, Georges, 46, 47, 48, 301

Lentille gravitationnelle, 240

Leptons, 287

Lie, groupe de, 199, 200

Lisi, Garrett, 194, 195, 196, 198, 199

Groupe de Lie E8, 199

Sur la simplicité, 203

Sur la théorie des cordes, 203

Sur les fermions, 197

Sur les paramètres aléatoires, 203

Sur son article dans Scientific American, 26, 202, 254, 299

Sur son pari avec Wilczek, 202, 282

Lloyd, Seth, 149

Localité, 151

Lodge, Oliver, 48, 302

Loeb, Abraham, 143

Lois de la nature

Beauté et, 15, 17, 36, 37

Découverte de, 126

Harmonie dans, 33

Invention de nouvelles, 13, 14, 18, 19

Nombres dans, 98

Répartition de probabilité pour, 140

Séparation d’échelles et, 63

Symétrie nécessaire pour, 72

Valeurs humaines dans, 124

Lois effectives, 63

Naturel et, 65

Lumière

Dans l’univers primitif, 82

Résolution avec, 68, 69, 70

Télescopes et, 78

Vitesse de, 86, 128

Lykken, Joseph, 26, 192

M

Mach, Ernst, 38, 40

Mack, Katherine, 244, 246, 247, 248, 250, 251

Marché des idées, 235, 236

Masse

Des électrons, 101, 184

Du boson de Higgs, 55, 56, 57, 67, 85, 86, 194, 217, 247, 248

Ratios dans le modèle standard, 93

Mathématiques

Abstraites, 45

Beauté dans, 36, 37, 38

De la mécanique quantique, 150

Réalité et, 72

Rôle en économie, 270, 271

Rôle en physique théorique, 20

Théories et, 196

Matière noire, 18, 240, 241

Axions en tant que, 245, 246

Contenue dans l’univers, 81

Dans l’univers primitif, 82

Problèmes liés à, 94, 249

Quête de, 243, 244

Supersymétrie et, 26, 81, 178

WIMP, 241, 242, 243

Matière normale, 64, 83

Matière ordinaire. Voir matière normale

Matrice de diffusion, 41

Matrice S, 41

Maudlin, Tim, 261, 263, 317

Maxwell, James Clerk, 48, 49, 160, 161, 172

McAllister, James, 159, 186, 300

Mécanique quantique, 149, 150, 151, 152, 153

Approche psi-épistémique, 155

Approche psi-ontique, 155

Beauté et, 46

Décohérence, 157, 158

Développement de, 173

Expérience de polarisation, 150, 152

Interprétation des mondes multiples, 133, 156

Interprétations de, 154, 166

Intuition et, 163

Mathématiques de, 149, 150

Objets macroscopiques et, 152, 155

Philosophie dans, 169

Relativité spéciale et, 173

Mécanisme, 49

Médias, 294

Melvin, 164

Mercure, 138

Mermin, N. David, 155, 156

Mésons, 42, 102

Mesure de la réussite scientifique, 191

Métathéorie, 143

Méthode scientifique, 51, 52

Michelson, Albert, 48

Microscopie, 68, 69, 70

Milne, Edward Arthur, 37

Modèle d’effondrement spontané, 157

Modèle des quarks, 41

Modèle héliocentrique, 98, 99, 160

Modèle mathématique, 22, 23

Modèle standard, 67, 173, 287

Anomalie du diphoton et, 109

Beauté dans, 43

Boson de Higgs et, 216

Caractère arbitraire de, 136, 137

Couplages de jauge dans, 106

Développement de, 76, 77

Extrapolation de, 130, 131

Flux dans l’espace des théories et, 67

Géométrie spectrale et, 193, 194

Gravité et, 77, 252

Groupes de symétrie pour, 175, 176, 177

Laideur de, 187

LHC et, 137

Mélange de matrices de, 93

Naturel de, 28, 102

Naturel technique de, 102

Paramètres de, 92

Particules de, 64

Problèmes avec, 92, 93, 95

Qubits et, 230

Rapports de masse dans, 93

Relativité générale et, 95, 216

Symétrie CP de, 93

Symétrie de jauge et, 71, 73, 74, 75, 287

Théorie de perturbation et, 232

Théorie des cordes et, 54, 227, 228

Mondes multiples, 132, 156, 159

Monstre au clair de lune, conjecture, 212

Motifs sonores, 113, 114

Multiplets, 41, 42

Multivers, 13, 127, 209, 258, 259

Constante cosmologique et, 144, 145, 223, 224

Inflation éternelle, 130, 132

Mondes multiples, 132

Observations et, 133, 134

Paramètres et, 135

Paysage de la théorie des cordes, 131, 132

Prédictions avec, 130

Principe anthropique et, 142

Probabilités de, 129, 140, 253

Problèmes avec, 127, 128, 247

Univers mathématique, 133

Musique, 113, 114, 145, 146

N

Naturel, 281

Ajustement et, 55, 56, 290, 291

Attrait du, 87

Coïncidence et, 16

Critère de, 117

Critère mathématique pour, 44

Dans le développement théorique, 117, 119

Dans l’espace des théories, 65, 66

De la théorie fondamentale, 137, 138

Du modèle standard, 28, 102

En tant que critère esthétique, 119

Intérêt pour, 137

LHC et, 103

Lois effectives et, 65, 66

Masse de l’électron et, 101

Modèle héliocentrique et, 98

Nombres adimensionnels et, 87

Paramètres et, 138, 139, 140

Philosophie du, 103, 264

Probabilité et, 117

Problème avec, 289, 290

Représentation erronée de, 91

Résolution et ajustement comparés avec, 67

Supersymétrie et, 54, 178

Technique, 98, 102, 117, 291

Neutrinos, 76, 78, 287

Découverte de, 239

Détection de, 243

Masse de, 93

Neutrons, 42, 173, 272

Newtonienne, gravité, 22

Newton, Isaac, 35, 172, 181

Niels Bohr, Institut, 89, 90

Nombres adimensionnels

Naturel et, 118

Souci lié, 86, 87, 93

Nombres non naturels, 98

Nordita, 90, 91

O

O’Brien, Fitz-James, 68

Observation

Multivers et, 133, 134

Nécessité de, 38

Théorie et, 21

Olive, Keith, 84, 85, 87

Orzel, Chad, 161, 162, 163, 166

Sur la philosophie en mécanique quantique, 168

Sur les interprétations, 166

P

Parallaxe, 98, 99

Paramètres

Aléatoires, 203

Du modèle standard, 92

Multivers et, 135

Naturel et, 118, 119, 138, 139, 140

Principe anthropique et, 143

Simplicité et, 116

Thêta, 94

Pari, entre Lisi et Wilczek, 202, 282

Parménide, 123

Particules intriquées, 152, 274

Particules massives à faible interaction (WIMP), 241

Particules porteuses de force, 61

Pauli, Wolfgang, 46, 238, 239

Perdus dans les maths

Naturel, 290

Origine des arguments esthétiques, 34

Suppositions fondées sur la philosophie, 261

Suppositions fondées sur l’intuition, 280

Peskin, Michael, 178

Phénoménologie, 115, 161, 214

Gravité quantique, 214

Philosophie, 257, 258, 261, 262

Dans la mécanique quantique, 168, 169

Du naturel, 103, 263, 264

Méthode scientifique et, 51, 52

Physique et, 262, 263

Phonons, 242

Physiciens mathématiciens, 20, 21

Physiciens théoriciens, 26

Collisions de particules et, 71

Mission des, 20

Répartition du travail et, 13

Physique

Comportement humain et, 14, 15

Des hautes énergies, 70

Fondations de, 19

Maths dans, 20, 22

Post-empirique, 182

Voir également physique des particules ; physique théorique

Physique de la matière condensée, 229

Physique des hautes énergies, 70, 92

Physique des particules, 13, 41, 42

Coïncidence et, 16

Particules, postulat, 239

Physique et comportement humain, 14

Physique post-empirique, 182

Physique théorique

Beauté dans, 180

Rôle des mathématiques dans, 20

Planck, Max, 36, 214, 215

Plasma quark-gluon, 210, 212

Poincaré, Jules Henri, 38

Polarisation, 150, 151, 152

Polchinski, Joseph, 207

Sur la constante cosmologique, 223, 224

Sur la masse du boson de Higgs, 217

Sur la phénoménologie de la gravité quantique, 214

Sur la radiation de Hawking, 222

Sur la supersymétrie, 217

Sur la théorie des cordes, 218, 219

Sur les multivers, 223, 224

Sur l’évaluation non empirique des théories, 213

Politzer, Hugh David, 44, 180

Popescu, Sandu, 149

Popper, Karl, 58

Probabilité

Mécanique quantique et, 151

Multivers et, 129, 140, 253

Problème CP fort, 94, 245, 246

Problème de mesure, 128

Problème des hiérarchies, 95, 185

Propriétés émergentes, 64

Protons, 42, 173

Décomposition des, 176

Durée de vie des, 176, 177

Propriétés des, 63

Psi-épistémique, 155, 156, 167

Psi-ontique, 155, 156, 167

Publications, nombre de, 191

Q

QBisme, 156

Quantum Moves (jeu vidéo), 165

Quarks, 41, 42, 63, 76, 287

Quasi-particules, 229

Quatre éléments, 171, 172

Qubits, 229, 230

R

Radiation de Hawking, 221, 222, 223, 275

Randall, Lisa, 102

Recherche, laideur de la, 37

Réductionnisme, 64, 152, 172, 173, 281

Relation Tully-Fisher, 249

Relativité générale, 173, 216, 222

Big Bang et, 46

Courbure de l’espace-temps et, 36

Expansion de l’univers et, 80

Géométrie spectrale et, 193, 194

Modèle de concordance et, 79

Modèle standard et, 95, 216

Qubits et, 231

Symétrie et, 43, 80

Théorie des cordes et, 227

Relativité spéciale, 43, 75, 173, 230

Reproductibilité, crise de, 274

Réseaux sociaux, 294

Résolution

Avec des accélérateurs de particules, 70, 71

Lois effectives et, 65, 67

Longueurs d’onde et, 69, 70

Naturel comparé à l’ajustement et, 67

Séparation d’échelles et, 63

Simplicité et, 204

Théorie effective des champs et, 64

Résultats négatifs, 296

Réviseurs à plein temps, 296

Révolution, 159, 160, 186

Rigidité, 96, 97, 121

Beauté de, 124

De la théorie des cordes, 219

R-symétrie, 209

Rubin, Vera, 240

S

Scénario du pire, 84, 248, 259

Schoenberg, Arnold, 145, 146

Schrödinger, chat, 153

Schrödinger, Erwin, 46, 89, 153

Schwarz, John, 227

Sciences, changements dans les, 187, 237

Scientifiques, nombre de, 188

Secteur caché, 239

Seiberg, Nathan, 102

Sens humain de l’esthétique, 38

Séparation d’échelles, 63

Siegfried, Tom, 128

Silk, Joe, 51, 254

Simplicité, 281

Beauté et, 181

Dans le développement théorique, 114, 115, 116

Résolution et, 204

Théories non vérifiées et, 14

Smoot, George, 47

SO(10), 176

Sociologie, 98, 271

Solides platoniciens, 34, 46, 138

Soupe de particules, 80, 82, 83

Spécialisation, 188, 296

Spiropulu, Maria, 26, 192

Split SUSY, 103

Stabilité du vide, 118

Steinhardt, Paul, 127

Strassler, Matt, 92

String Theory and the Scientific Method (Dawid), 50

Structure de l’enveloppe d’électrons, 61

SU(2), 175, 177, 199, 287

SU(3), 175, 199, 287

SU(5), 176, 177, 187

Supercherie de Sokal, 262

Super-LHC, 105

Superpartenaires

Absence de détection des, 26

Boson de Higgs et, 85, 86

Naturel et, 57

Théorie des cordes et, 54

Supersymétrie, 24, 282

Absence de preuve de, 84, 183

Ajustement et, 87, 103, 184

Attrait de, 24, 97, 98

Beauté de, 179, 217

Constante cosmologique et, 218

Convictions, 26, 27

Découvertes nécessaires pour, 25

Démonstration mathématique et, 27

Détection de particules pour, 27

Devrait faire partie de la nature, 85

Écho auprès de la communauté, 192

Flou des prédictions de, 137

Grande unification et, 176, 177, 178

LHC et, 103

Masse du boson de Higgs et, 56, 86

Matière noire et, 26, 81, 178

Naturel et, 54, 55, 178, 179

Nouveaux collisionneurs pour, 105

Particules élémentaires et, 25

Sociologie et, 98

Split SUSY, 103

Théorie des cordes et, 54, 208, 211

WIMP et, 241

Susskind, Leonard, 128, 192, 274

SUSY. Voir supersymétrie

Symétrie

Art des idiots, 191

Beauté et, 181

Conditions des lois de la nature pour, 72

Dans le modèle du quark, 41, 42

Dans le modèle standard, 93

De la relativité spéciale, 75

De l’interaction faible, 175

Émergente, 229

Fondamentale, 174, 175

Grande unifiée, 175

Groupe, 174

Relativité générale et, 43, 80

Restauration de, 177

Voir également symétrie de jauge

Symétrie brisée spontanée, 174, 175

Symétrie de jauge

Modèle standard et, 71, 72, 73, 74, 75, 287

Problèmes avec, 94

Qubits et, 231

Relativité spéciale et, 75

Théorie quantique des champs avec, 74

Symétrie rotationnelle, 40, 174

Symétries émergentes, 229

Symétries fondamentales, 174, 175

Systèmes de fermions causaux, 194

Système solaire, 34, 46, 99, 100, 138

T

Tableau périodique des éléments, 62

Taux de citation, 191

Technicolor, 194, 217

Tegmark, Max, 146

Accusations de biais émotionnel, 128

Sur les univers parallèles, 156

Univers mathématique de, 133, 196

Télescopes, 77, 78

Tests expérimentaux

Contraintes des Anciens, 92

Coût des, 236

Des multivers, 135

Difficulté des nouveaux, 95

Évaluation des théories et, 52

Naturel et, 119, 120

Théorie des cordes et, 182

Tevatron, 27

The Diamond Lens (O’Brien), 303

Théorie

Amélioration de, 13, 136

Approbation de, 235

De Broglie-Bohm, 156

De jauge, 106, 108

De l’onde pilote, 156

De perturbation, 232

De probabilité, 21

Des champs effectifs, 64

Des nœuds, 48

Du vortex, 48, 49, 227

Flux de, 66

Fondamentale, 47, 138, 191

Grande unifiée, 94, 174

Kaluza-Klein, 198

Mathématiques et, 196

Nouvelles variations de, 114, 115

Quantique des champs, 21, 74, 75

Voir également théorie des cordes ; théories unifiées

Théorie de jauge, 106, 108

Théorie de la perturbation, 232

Théorie de la probabilité, 21

Théorie de l’inchangeabilité, 123

Théorie de l’onde pilote, 156

Théorie des champs effective, 64

Théorie des cordes, 208, 227

Beauté de, 218

Constante cosmologique et, 209

Controverse autour de, 226

Développement de, 208

Dualité jauge/gravité et, 212, 219, 222

Échec de, 203

Économie comparée à, 270

Évaluation non empirique des théories et, 51, 52

Gravité et, 181, 182, 208, 210

Inflation éternelle et, 132

Interaction forte et, 208, 210

LHC et, 210

Paysage de, 132

Physique nucléaire et, 210

Relativité générale et, 227

Supersymétrie et, 54, 208, 211

Trous noirs et, 211, 219, 222

Théorie des nœuds, 48

Théorie de tout, 95

Espoir, 65

Mal définie et présomptueuse, 225

Surfeur avec une. Voir Lisi, Garrett

Théorie M, 211

Théorie naturelle, 56, 98

Théorie quantique des champs, 21, 74, 194, 197, 227, 251, 252

Théories unifiées

Géométrie spectrale, 193

Heisenberg et, 46

Voir également théorie de grande unification

Thomson, William, 49

’t Hooft, Gerard, 44

Tommasini, Anthony, 145, 146

Toupie, 174

Transformation de symétrie, 40

Triangulation dynamique causale, 228

Trous de ver, 14, 274

Trous noirs

Évaporation de, 221, 222, 223, 274, 275

Formation de, 219

Masse stellaire, 220, 222

Microétats de, 222

Multivers et, 134

Mur de feu de, 222, 274, 275

Supermassifs, 220, 222

Théorie des cordes et, 211, 219, 222

Turok, Neil, 127

U

U(1), 174, 175, 177, 287

Unification, 173, 174

Unification du couplage de jauge, 107, 108, 177, 184, 185

Univers

Bulle, 131, 258

CMB et, 83

État constant, 46

Expansion de, 47, 80, 81, 83

Harmonie de, 36

Primitif, 81, 82, 83

Voir également univers mathématique ; multivers

Univers en état stationnaire, 46

Univers mathématique, 258

Absence d’utilité de, 196

En tant que conclusion logique, 133, 196

V

Van Leeuwenhoek, Antonie, 68

Vision holistique de la nature, 124

Voss, Richard, 113, 114

W

Weinberg, Steven, 121, 125, 263

Sur de meilleures théories, 136

Sur la beauté et l’expérience, 124

Sur la constante cosmologique, 144, 223, 224

Sur la décohérence, 157, 158

Sur la mécanique quantique, 149, 154, 159

Sur l’analogie de l’éleveur de chevaux, 43, 123

Sur l’approche des mondes multiples, 159

Sur la probabilité, 139, 140

Sur la révolution, 159, 160

Sur le naturel, 138, 139

Sur le naturel des théories, 137

Sur les Big Bangs multiples, 127

Sur les lois de la nature, 126

Sur les résultats du LHC, 136

Sur le thêta dynamique, 94

Wen, Xiao-Gang, 204, 205, 229, 230, 231, 232, 233

Weyl, Hermann, 36

Wilczek, Frank, 179, 180

Pari avec Lisi, 202, 282

Particule axion, 94

Sur la beauté, 44, 185, 187

Sur la physique post-empirique, 182

Sur la supersymétrie, 184

Sur le naturel, 185

WIMP, 241, 242, 281

Miracle, 241, 242, 243

Witten, Edward, 211, 242

X

X, rayons, 69, 78

Y

Yalom, Irvin, 224

Z

Zee, Anthony, 39

Zeilinger, Anton, 150, 151, 164

Zoo des particules, 41, 173

Zwicky, Fritz, 239

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Cette édition électronique du livre

Lost in Maths de Sabine Hossenfelder
a été réalisée le 10 mai 2019

par Flexedo.

Elle repose sur l’édition papier du même ouvrage

(ISBN 978-2-251-44931-9).