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Le rêve des physiciens
Stephen Hawking   Roger Penrose   La Nature de l'espace et du temps
Gallimard - Folio essais 2003 /  4.10 € - 26.86 ffr. / 212 pages
ISBN : 2-07-042927-X
FORMAT : 11x18 cm

Voir aussi:
Marc Lachièze-Rey, Au-delà de l'espace et du temps. La nouvelle physique, Le Pommier, mars 2003, 360p., 24 €.
ISBN : 2-7465-0106-6

L'auteur du compte rendu : docteur en astrophysique, Thomas Lepeltier enseigne actuellement à l'Université de Newcastle (Grande Bretagne) et collabore régulièrement au journal Sciences Humaines.

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Est-il possible de développer une théorie quantique de la gravitation ou, du moins, une théorie qui rendrait compte à la fois des effets gravitationnels et des effets quantiques ? Une réponse affirmative rapprocherait beaucoup de physiciens de leur rêve : celui d’unifier l’ensemble des théories physiques. Mais voilà des décennies que ces physiciens butent sur cette unification. La raison des difficultés rencontrées est relativement simple. Les équations de la mécanique quantique, qui s’appliquent au monde microscopique, imposent que certaines quantités — par exemple l’énergie d’un atome — n’adoptent que des valeurs discrètes. Quant à la gravitation, décrite dans le cadre de la relativité générale d’Einstein, elle est une propriété géométrique de l’espace-temps. Une théorie quantique de la gravitation devrait donc être une théorie quantique de l’espace-temps. Or, jusqu’ici, la théorie quantique s’appliquait à des objets situés dans l’espace-temps. Comment donc quantifier l’espace-temps qui sert de cadre de référence au processus même de quantification ? C’est tout le problème.

Pour résoudre cette sorte de quadrature du cercle, les physiciens ne sont pas avares d’hypothèses, certainement incompréhensibles pour le néophyte. Mais comme les deux livres dont il est ici question s’adressent à un public, certes connaisseur, mais non spécialiste, essayons néanmoins de nous en faire l’écho. Par exemple, plutôt que d’essayer de quantifier la gravitation, certains physiciens essayent de rendre compte de toutes les interactions dans un cadre unique, quantifié. Toute interaction pouvant être considérée comme l’effet d’une certaine symétrie, cette recherche les conduit à considérer des symétries particulières dans la nature, telle la « supersymétrie » qui se caractérise par une symétrie entre spins entiers et spins demi-entiers, autrement dit, entre bosons et fermions. Il est alors question, non plus de gravité, mais de supergravité. Toujours dans ce cadre de pensée, une autre option consiste à développer les théories des cordes dans un espace-temps de dix ou onze dimensions. Dans ces théories, les objets fondamentaux ne sont plus des entités ponctuelles, comme des particules, mais des cordes à une dimension. Celles-ci ne se différencient pas les unes des autres par leur composition, comme c’est le cas avec les particules. Elles se distinguent uniquement par leurs configurations et leurs états de vibration. «Tout» est donc décrit par une unique substance. Comme ces théories incluent la supersymétrie, on parle d’ailleurs de supercordes. Dans le même esprit, certains physiciens développent une théorie des branes conçues comme les lieux d’attache des cordes ouvertes et qui, à la différence de ces dernières, peuvent avoir plusieurs dimensions. Mais d’autres physiciens, au lieu de chercher une théorie unitaire complète, essayent de quantifier la gravité sans se préoccuper des autres interactions. Ces démarches peuvent alors entraîner que l’espace-temps, qui nous apparaît continu, soit en réalité discret. Enfin, pour ne mentionner que les principales options, certains physiciens essayent, indépendamment de ces deux grandes orientations, de développer une géométrie non commutative, afin de retrouver, au niveau géométrique, une propriété des opérateurs en mécanique quantique. Cette nouvelle géométrie, qui récuse la notion de point dans l’espace, permet également de rendre compte de l’impossibilité quantique de toute localisation.

Toutes ces options présentent leurs avantages et leurs inconvénients, et ne sont pas forcément exclusives les unes des autres. Mais il est sûr qu’aucune ne l’emporte vraiment sur ses concurrentes et qu’elles sont toutes loin d’être abouties. En tout cas, là où le livre de Marc Lachièze-Rey se veut une présentation aussi peu technique que possible de ces théories, le livre de Stephen Hawking et Roger Penrose est une confrontation, moins didactique, entre les approches respectives de ces deux auteurs de situations où effets quantiques et gravitationnels interviennent, comme dans les trous noirs et les premiers instants de l’Univers tels qu’on les conçoit dans le cadre de la théorie du big bang. Ce débat nous donne droit à une description de ce que pourrait être une cosmologie quantique, ou encore à une présentation des tentatives d’incorporation des effets quantiques dans la physique des trous noirs. Bien sûr, la pertinence de ces spéculations ne pourra être jugée qu’à l’aune d’une théorie quantique de la gravitation, ou du moins d’une théorie qui rendrait compte à la fois des effets gravitationnels et des effets quantiques. Or, comme on l’a dit, aucune théorie de cette sorte n’existe encore. Certes, Penrose suggère que des effets que nous considérons comme purement quantiques pourraient être de nature gravitationnelle. Mais sur ce point Hawking ne le suit pas. De toute façon, les analyses de ces deux physiciens sont souvent peu claires. De façon symptomatique, Marc Lachièze-Rey, qui présente cet ouvrage, souligne à de multiples reprises combien ces analyses sont effectivement peu convaincantes et souvent obscures, voire tirées par les cheveux.

On pourrait ne voir là qu’une caractéristique propre à ces deux chercheurs. Il faut néanmoins reconnaître que toutes les tentatives d’unification de la physique sont loin de s’appuyer sur une parfaite maîtrise conceptuelle de leurs démarches. Marc Lachièze-Rey, qui a fait dans son livre un véritable effort pour être clair et précis, malgré toutes les difficultés conceptuelles rencontrées, considère que ce n’est peut-être pas un problème insurmontable. Il espère que ce n’est que la marque de l’état de balbutiement dans lequel se trouvent ces recherches. Aussi conclut-il sa présentation de ces dernières en affichant son espoir que la théorie qui éventuellement unifiera la physique et dont rêvent les physiciens pourra être présentée «à nos enfants, aux étudiants, au public, comme on présente aujourd’hui la physique de Newton ou (avec encore des progrès à accomplir) la relativité et la physique quantique» (pp. 348-349).

C’est d’ailleurs le même espoir que formulait Hawking dans la conclusion de son célèbre livre, Une brève histoire du temps (1988). C’est-à-dire que non seulement les physiciens rêvent d’une «théorie du tout», mais certains rêvent également que cette théorie soit simple. Or, au-delà des difficultés inhérentes à l’attirail mathématique nécessaire pour définir une telle théorie, il n’est pas sûr que cette notion de simplicité ait un sens à propos d’une théorie du tout. N’y a-t-il pas quelque chose de relatif dans cette notion de simplicité ? Ce qui est sûr en tout cas est que ceux qui sont peu habitués à ce genre de spéculation ne doivent pas s’attendre à une lecture facile de ces deux livres. Mais cette difficulté n’enlève pas aux auteurs le mérite d’avoir cherché à présenter ces problématiques passionnantes au-delà du cercle des spécialistes.


Thomas Lepeltier
( Mis en ligne le 06/02/2003 )
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  • Au-delà de l'espace et du temps
       de Marc Lachièze-Rey
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