Deux approches conflictuelles pour la gravité

Ce texte est un « article presslib’ » (*)

La physique constitue aux yeux des membres de notre culture, un discours certain : la physique dit les choses comme elles sont. À ce titre elle s’assimile à ce que nous reconnaissons dans d’autres cultures comme « religion ». Différence notable cependant avec les religions monothéistes révélées : il est admis par tous que la physique est une construction humaine, son édification peut être constatée comme résultat de l’activité des hommes au fil de plusieurs siècles ; son processus est celui d’une découverte, non d’une révélation.

Autre différence avec les religions, l’efficacité empirique de la physique comme application d’un discours théorique peut être mise en évidence sans difficulté. Ainsi, dans le cas de la physique impliquée dans la construction de la bombe atomique : sa faisabilité fut acquise de manière déductive à partir d’une équation entre la masse d’un corps et son énergie, et la masse critique à mettre en présence (par rapprochement de deux demi-quantités) fut calculée avec une très grande précision à partir, une fois encore, de considérations théoriques, avant qu’ait lieu tout test pratique. Ou, dit autrement, le cas de la bombe atomique met en évidence de manière incontestable que sa mise au point ne résulte pas de manipulations empiriques fondées en réalité sur l’essai et l’erreur.

Cette efficacité réelle et indéniable n’exclut cependant pas la possibilité d’une « surdétermination », la possibilité que la physique moderne contemporaine n’ait produit que « l’un des discours théoriques possibles » sur la nature et sur le fonctionnement de l’univers qui nous entoure. Après tout, de nombreux discours « empiriques » ont eux aussi une efficacité réelle dans le monde sensible. Ce qu’ils ont découvert, c’est une manière d’appréhender les choses, qui débouche sur un efficace. Ainsi, la médecine yoruba, décrite par Buckley (1985), fondée sur une typologie des humeurs corporelles en fonction de leur couleur blanc, noir ou rouge, débouche elle aussi sur une efficacité réelle dans le monde sensible. Kojève, dans sa thèse refusée (par des savants classiques) sur la physique mettait en avant qu’un autre discours physique qui supposerait lui une causalité « approximative » où les causes ont « en général » les mêmes effets – soit une vision du monde extrêmement différente de celle qu’offre la physique contemporaine – produirait les mêmes résultats pratiques que celle-ci, et serait même irréfutable par elle (Kojève 1990).

En réalité, cette « surdétermination », qui fait que la physique moderne contemporaine produit seulement « l’un des discours théoriques possibles » sur la nature est révélée par sa constitution présente même : en réalité, la physique contemporaine est d’ores et déjà composée d’un ensemble de discours disparates, constituant chacun précisément l’un de ces « discours théoriques possibles » et leur hétérogénéité se révèle de manière flagrante là où ces discours se chevauchent de manière conflictuelle. Un exemple convaincant d’un tel conflit existe dans ce qui constitue de manière très généralement admise, « la crise contemporaine de la physique » : les conceptions contradictoires de la gravité que proposent la mécanique quantique d’une part, et la théorie générale de la relativité d’autre part.

La représentation du temps et de l’espace propre à la théorie de la relativité n’est pas celle de la mécanique quantique. Dans la théorie de la relativité, la gravité disparaît en tant que force, le parcours de l’objet qui résulte du fait qu’une « force » s’exerce apparemment, est en réalité le parcours qu’impose une certaine courbure de l’espace-temps à proximité d’un autre objet « grave »

Dans la mécanique quantique, les forces sont toujours des forces au sens newtonien, c’est-à-dire des actions à distance. Le concept d’une gravitation quantique tente alors, dans le cadre quantique, de réintroduire la gravité comme une force classique exercée – évidemment – par des particules appelées « gravitons ». Du coup, une réconciliation entre théories prend la forme hétérogène d’un basculement de l’une à l’autre, fondé sur un changement d’échelle – ou de niveau d’énergie – à la suite duquel on passe d’une réalité gravitationnelle géométrique à une réalité gravitationnelle corpusculaire. Einstein aurait voulu unifier l’ensemble des forces de la manière qu’il appliqua à la gravitation, mais les forces intranucléaires forte et faible ont résisté au même type d’approche.

En mécanique quantique, héritière de la mécanique classique sur ce point, la gravité est une force que des particules, substrats de ces forces, exercent à distance les unes sur les autres. Dans ce cadre, la gravité est l’une des forces universelles, au même titre que la force électro-magnétique, la force intra-nucléaire forte et la force intra-nucléaire faible. Une explication de la gravité au niveau quantique passe par la découverte de particules appelées « gravitons » supports de la force de gravité.

La mécanique quantique parle d’un monde microscopique. La relativité générale parle d’un monde macroscopique, et plus volontiers encore d’un monde dont les principaux éléments sont des corps généralement très grands (les étoiles) ou sinon extrêmement denses (les trous noirs). Dans le cadre de la relativité générale, la gravité n’implique pas l’existence de substrats particuliers : la gravité résulte de distorsions dans le tissu de l’espace-temps introduites par la présence de masses. La densité de l’univers n’est pas uniforme du fait de la distribution hétérogène de la matière. La présence de masses discrètes introduit dans leur voisinage, et avec une influence diminuant avec le carré de la distance, des effets que l’on a pu interpréter autrefois comme l’action de forces semblant émaner du centre de gravité de ces masses. Autrement dit, et en particulier, l’interprétation de la gravité par la mécanique quantique, comme l’exercice d’une force émanant d’une particule, est un type d’explication considéré comme dépassé dans le cadre de la relativité générale.

Ceci dit, les deux théories, la mécanique quantique d’une part, la relativité générale d’autre part, sont considérées comme « vraies » par la quasi totalité des physiciens. Le conflit entre les deux interprétations des faits de gravité s’exacerbe cependant lorsqu’on est obligé, pour éviter une contradiction entre les deux représentations, d’imaginer un niveau d’échelle où la gravité cesse d’être une distorsion de l’espace-temps introduite par des masses pour devenir une force exercée par des particules. D’où le terme justifié de « crise » pour caractériser l’existence d’un tel conflit.

Comment expliquer l’existence de deux interprétations conflictuelles quant aux faits de gravité ? Par la présence de la « surdétermination » évoquée plus haut : mécanique quantique et relativité générale sont deux de ces « discours théoriques possibles » sur la nature, rendant compte de manière satisfaisante, chacun à sa manière, du comportement de leurs objets théoriques de prédilection, objets extrêmement petits pour la première, objets extrêmement massifs ou extrêmement denses pour la seconde. Par ailleurs, ces deux théories sont nées à des endroits très distants l’un de l’autre sur le spectre des domaines du savoir : la mécanique quantique est née, dans le sillage de la mécanique classique, au pôle expérimental de la physique, la relativité générale, à l’instar de la thermodynamique, au pôle déductif de la science, à partir d’arguments fondés essentiellement sur la nécessité logique. Pour la science « constructiviste », le principe de progrès dans la connaissance est l’apparition d’anomalies expérimentales lors de la prévision à l’aide des modèles admis, alors que pour la science d’inspiration « déductiviste », l’expérimentation n’intervient qu’au niveau du test de ses prédictions.

Dans le cas de la relativité générale – et à la consternation de certains de ses collègues – Einstein manifestait personnellement peu d’intérêt pour les « preuves » empiriques de ses déductions, la nécessité logique de sa démonstration lui semblant une garantie suffisante de sa véracité. On pense en particulier à son remarquable manque d’intérêt pour l’expérience de Michelson et Morley établissant la constance de la vitesse de la lumière, principe pourtant crucial pour son système. C’était délibérément et en fonction d’une intention explicitement formulée, qu’il produisit avec la relativité générale une théorie engendrée sur le mode déductif, et non réactive à la détection d’anomalies expérimentales. Einstein explique dans ses notes autobiographiques qu’il voulait mettre au point avec la relativité une théorie semblable à la thermodynamique : fondée non sur l’élimination d’anomalies mais organisées autour d’un principe tel que l’exclusion du mouvement perpétuel. Dans ses Notes biographiques, compilées à l’occasion d’un volume commémoratif en son honneur, il écrivait : « Plus je m’essayais et plus mon désespoir croissait, plus je me convainquais que seule la découverte d’un principe formel universel était susceptible de déboucher sur des résultats assurés. L’exemple que j’avais devant moi était celui de la thermodynamique […] Les lois de la physique sont invariantes par rapport aux transformations de Lorentz, […] il s’agit là d’un principe restrictif pour les lois naturelles, comparable à celui de l’inexistence du mouvement perpétuel qui sous-tend la thermodynamique » (Einstein 1949 : 53 & 57 ; voir aussi Holton 1973 : 252).

Utilisant une distinction introduite par Poincaré dans La science et l’hypothèse entre « science constructive » et « science à principe » (Poincaré 1906), Einstein caractérisait le style de sa démarche de « science à principe ». Dans une allocation en hommage à Max Planck, il avait déclaré en 1918 : « La tâche suprême du physicien est de parvenir à ces lois élémentaires universelles à partir desquelles le cosmos peut être bâti par déduction pure » (in MacKinnon 1982 : 307). Il insistait cependant sur le fait que le point de départ de cette déduction devait être un fait d’observation de très grande généralité, ainsi en 1907 : « On n’a pas affaire ici […] à un “système” au sein duquel les lois individuelles seraient implicitement contenues et ne pourraient être trouvées que par déduction à partir de lui, mais à un principe qui (à la manière de la seconde loi de la thermodynamique) permet la réduction de certaines lois à d’autres » (in Stachel 1998 : 19). En fait il ne s’agissait là de rien d’autre que d’une science générée sur le mode déductif, en fonction de nécessités logiques, et comme dans le cas de la relativité, à partir de considérations très générales sur la nature du temps et de l’espace. Einstein se situait dans la ligne de ce que Goethe appelait une « philosophie de la Nature ».

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Buckley, Anthony D., Yoruba Medecine, Oxford : Clarendon Press, 1985

Einstein, Albert, “Autobiographical Notes”, in Paul Arthur Schilpp (sous la dir.), Albert Einstein : Philosopher-Scientist, La Salle (Ill.) : Open Court, 1949 : 2-94

Holton, Gerald, Thematic Origins of Scientific Thought. Kepler to Einstein, Cambridge (Mass.) : Harvard University Press, 1973

Kojève, Alexandre, L’idée du déterminisme dans la physique classique et dans la physique moderne, Paris : Librairie Générale Française, 1990

MacKinnon, Edward M., Scientific Explanation and Atomic Physics, Chicago (Ill.) : Chicago University Press, 1982

Poincaré, Henri, La Science et l’Hypothèse, Paris : Flammarion, 1906

Stachel, John, Einstein’s Miraculous Year. Five Papers That Changed the Face of Physics, Princeton (N.J.) : Princeton University Press, 1998

(*) Un « article presslib’ » est libre de reproduction en tout ou en partie à condition que le présent alinéa soit reproduit à sa suite. Paul Jorion est un « journaliste presslib’ » qui vit exclusivement de ses droits d’auteurs et de vos contributions. Il pourra continuer d’écrire comme il le fait aujourd’hui tant que vous l’y aiderez. Votre soutien peut s’exprimer ici.

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247 réflexions sur « Deux approches conflictuelles pour la gravité »

  1. “Un scientifique propose un modèle d’univers sans Big Bang.

    On l’oublie parfois, mais le Big Bang n’est qu’une théorie. La plus complète, la plus acceptée, la plus probable au vu des observations, mais une simple théorie. Il en existe des dizaines d’autres, plus ou moins exotiques, pour expliquer la création de l’univers. Il y en a désormais une de plus, qui agite le petit monde de l’astrophysique.

    Le modèle présenté par le cosmologiste taiwanais Wun-Yi Shu est jugé «fascinant» par la TechnologyReview du prestigieux MIT. Ici, pas de Big Bang, de début ou de fin à l’univers. Dans la théorie de Shu, le temps et l’espace «ne sont pas des entités indépendantes mais peuvent être converties de l’une à l’autre, à mesure que l’univers évolue». Le tout via un facteur: la vitesse de la lumière, explique TechnologyReview.

    De même, masse et longueur sont interchangeables via un facteur de conversion lié à la constante gravitationnelle G et à la vitesse de la lumière. Shu résume: pendant l’expansion de l’univers, le temps est converti en espace, et la masse en longueur. Lors des phases de contraction, c’est l’inverse.

    Dans le modèle de Shu:

    * La vitesse de la lumière et la constante gravitationnelle ne sont pas… constantes. Elles varient au cours de l’évolution de l’univers
    * Il n’y a pas de début ni de fin à l’univers: pas de Big Bang, ou de Big Crunch (contraction) ni de singularité (point duquel tout partirait ou vers lequel tout convergerait)
    * L’univers connaît des phases d’accélération et de décélération.”

    http://www.20minutes.fr/article/586807/Sciences-Un-scientifique-propose-un-modele-d-univers-sans-Big-Bang.php

  2. La MQ et la Relativité (RR et RG) sont les 2 grandes avancées conceptuelles de la physique moderne. La MQ n’a jamaiis été mise en défaut par aucune expérience et la Relativité compte beaucoup de résultats la confirmant. On est, donc, en droit de penser que ces 2 théories ont quelque chose de vrai. Cependant, leur incompatibilité conceptuelle exige une 3eme voie pour les unifier. En effet, toutes les deux semblent imcomplètes si on comprend bien les 2 articles de L. Gaffour
    1. Fundamental equations of quantum mechanics in tim-varying domain, Int. j. of theor. phys.(2008) 47 859-864.
    2. effects of nonstationary space-time geometry on observables, Physics Essays 22, 3(2009).

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