dimanche 23 avril 2017

Les cordes : l'aventure d'une théorie (filandreuse ?) racontée par Lee Smolin


Elle aurait dû s'appeler la théorie des élastiques. Pas assez chic : c'est devenu la théorie des cordes. Sans dec !

Ambitions de la théorie des cordes


Le titre du livre de Smolin, c'est The Rise of String Theory, the Fall of a Science, and What comes next. Traduit en français par : Rien ne va plus en physique.

Très intimidant de parler d'un livre aussi riche et complexe. Un livre qui sort de l'ordinaire. Smolin y fait un tableau de la recherche en physique théorique au cours de ces quarante dernières années. Et se concentre particulièrement sur la théorie des cordes dont il examine méthodiquement la viabilité au terme d'années de développement.

Avec la théorie des cordes, on arrive à un degré d'abstraction rarement atteint. Nous savons que le vingtième siècle a vu émerger :

a/ une théorisation einsteinienne relative à l'espace et au temps :
- d'abord la liaison du temps à l'espace (et sa définition comme une caractéristique propre à tout mobile - exit le temps universel),
- ensuite l'explication du phénomène de gravitation, équivalent d'une accélération, et une description de l'espace (espace-temps) comme dynamique et susceptible de courbures. Exit le référentiel plat et stationnaire de Newton,

b/ le modèle standard (fondé sur la théorie des quanta) qui décrit particules et forces subatomiques, sur un espace NON EINSTEINIEN (c'est-à-dire sur un fond statique et plat)

La conciliation des deux (c'est-à-dire la gravité quantique) est problématique. Je ne détaille pas, l'explication est mathématique - on obtient des solutions infinies quand on rapproche les calculs de probabilité  qui sont utilisés pour les quantas - car il n'y a pas de trajectoire définie des particules, donc des fluctuations incontrôlables des variables - avec la description des champs gravitationnels qui est celle d'une infinité de points.

Or, la théorie des cordes ambitionne de donner de la nature (du réel, de la matière, comme on voudra bien l'appeler) une description plus fondamentale englobant les deux parties de la physique moderne que je viens d'évoquer très sommairement. Elle n'a pour rivale, à l'heure actuelle, que la gravité quantique à boucle (sur laquelle travaille Smolin).

Comment se fait la physique contemporaine


Ce qu'il faut comprendre dès le départ, c'est qu'on n'est pas en train de faire une description de la nature fondée sur des observations comme on décrirait les mouvements des molécules dans un bocal, ou les échanges de chaleur à l'intérieur d'un corps.

Non !

Bien qu'au départ, dans les années 70, la théorie des cordes ait eu pour objectif de rendre compte d'interactions entre certaines particules, il faut l'imaginer comme un pur jeu théorique : elle pose un certain nombre d'équations qui vont être ajustées pour décrire ce qu'on observe dans le modèle standard et ce qu'on peut inclure de gravitation. Il s'agit à la base d'un travail mathématique, mais pas de mathématiques théoriques : c'est une tentative de description en langage mathématique de tout ce qu'on connaît sur les particules, les forces en intégrant autant que possible d'espace-temps (relativité restreinte).  C'est une "théorie du tout".

Puis le but du jeu est de transformer ces formules à l'aide des règles classiques des mathématiques pour aboutir à d'autres formules, et de voir ce que finissent par dire ces autres formules. Ce qu'elles disent et prédisent de la nature.

Soit elles disent des trucs qui collent avec la réalité, soit des trucs déconnants. Elles peuvent aussi faire état de possibilités difficilement testables : dimensions supplémentaires de l'espace (9, 10 ou 26…), multiplicité des univers… qui ne sont pas obligatoirement fausses, mais qui rendent plus compliqués les rapprochements avec l'observation.

Évidemment, si elles disent des choses qui ne vont pas, il y a possibilité de revenir en arrière et de triturer les formules de base. Mais on ne peut quand même pas trop triturer, sous peine de perdre toute crédibilité.

Smolin décrit les cordes de manière très négative :

"Ce que nous avons, en fait, n’est pas une théorie mais une large collection de calculs approximatifs, qui s’accompagnent de tout un réseau de conjectures, qui, si elles sont vraies, tendent vers l’existence d’une théorie. Mais jamais cette théorie n’a été couchée sur papier. Nous ne savons pas quels sont ses principes fondamentaux. Nous ne savons pas dans quel langage mathématique elle s’exprimera ; ce sera peut-être un langage nouveau que nous devrons inventer. Vu cette absence de principes fondamentaux et de formulation mathématique, nous ne pouvons même pas dire que l’on sait ce qu’affirme la théorie des cordes."

La panne


Il existe aujourd'hui 10500 théories des cordes aujourd'hui (ce qui éclaire l'expression : il pleut des cordes). Smolin regroupe ces théories en  catégories selon qu'elles donnent une constante cosmologique positive ou négative (une constante négative ne correspond pas à l'observation), selon qu'elles sont construites sur un espace-temps plat ou non, etc. Bien entendu, une majorité de ces théories est non formulée.

Comment s'y retrouver ? Il faut trier. Comment faire ? Le fait de retomber sur ses pieds et de décrire ce qu'on connaît ne suffit pas. Il faut aussi que la formulation soit prédictive de phénomènes nouveaux. Et donc il faut expérimenter.

Et là, c'est la panne totale. La théorie des cordes ne prédit rien, elle se contente d'être partiellement conforme à ce qu'elle veut décrire. La multiplicité de ses formes constitue en soi un obstacle, puisqu'il est toujours possible d'ajuster des variables pour faire coller la théorie à la réalité.

Alors il y a le coup de pouce de la super-symétrie. Celui de la S-dualité. Celui de la théorie M censée englober toutes les théories des cordes en en faisant des solutions de ses propres équations. Mais ça ne va toujours pas.

Pourquoi ? Je ne vais pas paraphraser, c'est compliqué, je préfèrerais que tu lises.


L'échec des quarante dernières années


Le bouquin raconte aussi comment la théorie des cordes est devenue quasiment une mode, scotomisant dangereusement l'esprit critique des brillants chercheurs qui travaillaient dessus. Au point de les inciter à vouloir redéfinir les critères scientifiques qui détermine la validité d'une théorie. C'est l'angoisse.

Mode aux effets dévastateurs pour les autres champs de recherche en physique théorique, car les cordes ont vampirisés tous les crédits et tous les postes. D'où un assèchement de la recherche. Aucune découverte majeure n'a été faite au cours de ces trente dernières années : une première dans l'histoire de la physique depuis qu'elle est constituée comme science.

(Dix ans après la publication de ce livre, rien de neuf à ma connaissance. La plus que probable mise en évidence du boson de Higgs en 2013 avec le super-collisionneur du CERN n'est pas une découverte mais une belle confirmation expérimentale qui renforce le modèle standard ; en revanche, aucune manifestation de supersymétrie, qui aurait pourtant arrangé la théorie des cordes ; pas grave, il suffit d'ajuster les variables et de dire que la supersymétrie n'aurait pu apparaître qu'avec des énergies beaucoup plus grandes que l'énergie dont est capable le collisionneur.

Même chose avec l'analyse des données envoyées par le satellite Planck : renforcement de l'hypothèse de l'inflation cosmique, plus de finesse et de précision, mais aucune piste pour une découverte.)

Pourquoi ce vide, cet échec qui semble incroyable ? Smolin émet une autre hypothèse : priorité a été donnée aux chercheurs brillants mais scolaires au détriment des chercheurs originaux et imaginatifs. Alors qu'il y a des périodes où les scolaires sont vraiment utiles (comme pendant l'exploitation des découvertes des pionniers entre 1940 et 1980), il y a d'autres périodes - comme après 1980 - où il aurait fallu recruter des novateurs pour avancer. Manifestement, Smolin a lu le fameux livre "comment se faire des amis".


Les engagements personnels de Smolin


Dans ce livre, Smolin confie qu'il est pro-Einstein  - il prend son parti dans le conflit qui l'a opposé à Bohr pendant trente ans. Pour lui, la théorie des quanta est une révolution inachevée, l'utilisation des probabilités un pis-aller, et il existe des variables cachées, inconnues à ce jour, qui vont permettre un jour d'aller vers une théorie plus globale et - d'après lui - moins bancale, et surtout réaliste et causaliste. C'est un peu un scoop pour moi, car toute la littérature que j'ai lue semble reléguer cette position aux oubliettes de la physique. Là encore, désolé, j'aurais bien détaillé, mais ce serait des pages et des pages. Juste pour dire que c'est (presque) plus haletant qu'un épisode de Breaking Bad.

Grand vertige aussi en lisant :

" La géométrie de l’espace ne fait pas partie des lois de la nature. Par conséquent, rien qu’on puisse trouver dans ces lois ne nous dit ce qu’est la géométrie de l’espace. Ainsi, avant de commencer à résoudre les équations de la théorie générale de la relativité d’Einstein, nous n’avons strictement aucune idée de ce qu’est la géométrie. On la découvrira seulement une fois les équations résolues.
Cela signifie que les lois de la nature doivent s’exprimer sous une forme qui ne présuppose pas que l’espace ait une géométrie fixe. C’est le cœur de la leçon einsteinienne."


Et plein d'autres choses. Un chapitre très subtil sur le "principe anthropologique", idéologie non scientifique qui tend à expliquer la nature par la présence de l'homme, et non l'inverse - et ce à la suite d'un raisonnement vicié et téléologique. En résumé, le principe anthropologique consiste à dire qu'il y a trop de constantes très finement ajustées dans la nature (et dont l'ajustement très fin aboutit à la possibilité de la présence de l'homme) pour que ce soit un hasard. Coucou, Dieu !


Tracer l'avenir de la physique


Constatant l'échec actuel de la théorie des cordes, Smolin passe en revue quelques observations et hypothèses actuelles qui lui semblent des pistes intéressantes pour la physique. Par exemple l'idée que dans la relativité restreinte, le principe de relativité lui-même serait juste, mais la vitesse de la lumière serait variable (j'espère que tu étais assis).

Il examine aussi certaines anomalies dont l'existence fait consensus. Comme celle qui aboutit à l'hypothèse de l'existence de matière sombre - dont on n'a toujours pas trouvé trace directe aujourd'hui. Il envisage l'hypothèse alterne, la théorie MOND qui propose rien de moins que de modifier la (seconde) loi de Newton, celle sur la pomme. Même pas peur...

Smolin tente d'analyser les règles du progrès en science. Il rappelle que la physique avance à travers des unifications. Par exemple mouvement continu et immobilité (principe de relativité de Galilée), attraction terrestre et gravitation (Newton), temps et espace, gravitation et accélération (Einstein).

Il définit les cinq questions auxquelles une future théorie doit répondre :
- unification de la gravité et des quanta (et résolution du problème des infinis),
- unification des particules et des forces (= fermions et bosons)
- solution au problème de l'observateur dans les quantas (l'observateur interfère avec l'observation, il est impossible pour l'instant de séparer l'observation de l'observateur)
- explication de la valeur des (≈20) constantes qu'on observe dans la nature (mais oui, en cours on te dit que c'est une constante, mais c'est un peu court, non ? Comment se construit-elle ?)
- explication de la matière sombre et de l'énergie sombre

Beau programme. Quand est-ce qu'on commence ?


Ai-je le droit de parler de ce livre ?


Franchement, je n'ai pas assez de connaissances ni de compétence (il s'en faut de beaucoup) pour pouvoir critiquer les positions de Smolin.

Je peux quand même faire des comparaisons avec d'autres ouvrages. Peu avant que j'attaque ce livre, j'étais tombé sur un numéro spécial "The quantum world" publié par New Scientist, une revue britannique en principe fiable, 130 pages consacrées à l'état actuel des connaissances et de la recherche en physique quantique. Une catastrophe. Outre le style journalistique racoleur, sensationnaliste,  aucune vision synthétique, aucune information sur le caractère démontré ou purement hypothétique des théories exposées, pas la moindre appréciation sur le caractère sérieux ou extravaguant des recherches dont il est question  - dont certaines m'ont pourtant parues bien mal fondées.

Je peux aussi comparer avec d'autres bouquins dont j'ai fait la revue dans ce blog. La particularité du bouquin de Smolin - qui tient à l'ambition des cordes d'être une théorie moderne du tout - c'est qu'il donne une vision très large de l'état des connaissances. On ne se borne pas à la relativité, à la cosmologie ou aux quantas, et on ne s'arrête pas en 1950.

Et je m'autorise à dire, tout simplement, que j'ai eu beaucoup de plaisir (et de passion) à lire ce livre.


Petite mise en garde


Ce livre est sans doute un ouvrage de vulgarisation sur les cordes, mais ce n'est pas un livre de vulgarisation sur la physique en général. Il faut avoir des idées à peu près claires sur les fondamentaux de la physique jusqu'aux années 50 pour être à l'aise. Tout ce qui tourne autour des notions de jauge (théorie de jauge, symétrie de jauge, boson de jauge) aurait peut-être mérité une description plus détaillée.

Il m'est arrivé d'être en difficulté - et pas seulement à propos du principe de jauge. Ainsi…


" Voici une version simplifiée de ce qu’a réalisé le groupe de Stanford. Ils ont commencé avec un type de théorie des cordes très étudié – un espace-temps quadridimensionnel plat avec une petite géométrie à six dimensions, attachée à chaque point. Ils ont choisi la géométrie de l’un des espaces de Calabi-Yau comme étant celle des six dimensions enroulées. En effet, puisqu’il existe au moins cent milles espaces de Calabi-Yau, on doit en choisir un représentant dont la géométrie sera caractérisée par plusieurs constantes.
Ensuite, ils ont enroulé de grandes quantités de flux électrique et magnétique autour des espaces à six dimensions, en chaque point. Puisqu’on ne peut enrouler que des unités discrètes de flux, cela tend à geler les instabilités. Pour stabiliser mieux encore la géométrie, il faut utiliser quelques effets quantiques, qui ne sont pas issus directement de la théorie des cordes, mais qui relèvent des théories de jauge supersymétriques et pourraient par conséquent jouer un rôle ici. En combinant ces effets quantiques avec les effets des flux, on obtient une géométrie où tous les modules sont stables."


Une pincée de sel, de la noix de muscade rapée… Il ne faut pas se laisser intimider mais accepter de ne pas avoir toujours tous les éléments nécessaires à la compréhension, et donc de rester au niveau de la description. Heureusement, ce type de passage est l'exception.

Bon, d'accord, c'est plus dur à lire que l'almanach Vermot. Au fait, tu veux savoir à quoi ça ressemble, l'humour d'un physicien ? Un exemple tiré du livre : Smolin évoque la théorie de la relativité doublement restreinte (DSR), qui propose que non seulement la vitesse de la lumière soit invariable, mais aussi la longueur de Planck (la plus petite longueur possible). C'est intéressant, et ça avance apparemment bien. Mais ce n'est qu'une théorie et Smolin attend donc une confirmation par l'observation - en cours. Si ça marche, tant mieux. Sinon, dit Smolin, "on prouvera au pire qu'elle est fausse, ce qui signifie que DSR est une véritable théorie scientifique."

MDR. Mais si tu veux, je peux expliquer...


Ça te dérange pas que j'en profite pour passer une petite annonce ?
Je cherche à acheter 10 ou 20 mètres de corde comme celle-ci. Tu notes qu'elle est câblée, et non tressée. C'est du 4. Elle est raide et ne s'emmêle jamais : c'est bien pour la chasse sous-marine. De mémoire, elle flotte. Mais je n'arrive pas à savoir si c'est du polyéthylène, du polypropylène ou un autre polymère. Merci de ton aide  !