Par delà le visible. La réalité du monde physique et la gravité quantique, Carlo Rovelli

Par delà le visible. La réalité du monde physique et la gravité quantique, Carlo Rovelli. Odile Jacob. 2015.
Présentation par Jean-Paul Baquiast

Ce livre est la traduction française d'un livre original de l'auteur paru en italien en 2014 La realtà non è come ci appare

Quatrième de couverture

Pionnier dans l'étude de la gravité quantique, Carlo Rovelli propose dans « Par delà le visible » une vaste fresque des grandes avancées de la physique. Des atomes de Démocrite aux « atomes d'espace », de la chaleur des trous noirs aux hypothèses sur le rôle de l'information dans notre perception de la réalité, il nous guide, sans aucune équation, sur le fascinant chemin des grandes théories – physique quantique, relativité générale – qui ont changé notre vision du monde et nous ont dévoilé, par-delà le visible, une autre réalité. Atomes, quanta et espace-temps courbe mènent le lecteur vers l'étrange image du réel suggérée par la physique d'aujourd'hui : celle d'un monde sans espace ni temps, ni énergie. Seulement un fourmillement probabiliste de quanta élémentaires qui, dans leur danse folle, dessinent l'espace, le temps, la matière et la lumière. C'est la trame d'un nouveau regard sur la réalité qui se révèle sous la plume d'un merveilleux conteur.

Nous avons déjà présenté ce scientifique et son oeuvre dans un article précédent, auquel nous demandons expressément au lecteur de se référer.

Ce livre nous paraît en effet excellent. Je pense même que c'est le meilleur des ouvrages permettant dans l'état actuel des connaissances de commencer à se faire une idée sur ce qu'est en profondeur l'univers, dont nous sommes une composante. Il est très lisible par le grand public, du fait qu'il est écrit dans un langage familier et qu'il évite toute formulation mathématique. Néanmoins, c'est un livre difficile, dont on peut craindre qu'il ne soit pas lu par ce même grand public, ou , s'il est lu, qu'il ne le soit que superficiellement.

Ceci pour deux raisons. D'une part il oblige le lecteur, non seulement à connaître un tant soit peu les deux fondements de la physique récente que sont la relativité einstenienne et la mécanique quantique, mais aussi à repenser ce qu'il croyait savoir de ces deux grandes théories, grâce aux analyses en profondeur qu'en présente Carlo Rovelli 1).

D'autre part et surtout, il évoque dans la seconde partie de l'ouvrage un thème qui constitue et constituera de plus en plus une révolution majeure des connaissances, mais qui demeure encore très souvent ignoré, la gravitation ou gravité quantique. Pour combattre cette ignorance, Carlo Rovelli rappelle l'historique du problème et la façon dont il se pose aujourd'hui, ce que les manuels de physique n'ignorent évidemment pas, mais il apporte sur ces sujets des données neuves de la première importance, données que ces mêmes manuels, les scientifiques, les philosophes et le grand public ignorent encore,.et qu'il leur faudra apprendre à connaître.

Le livre explique en effet que la grande question posée par la gravité quantique est en voie d'être résolue par la petite équipe de chercheurs s'étant depuis quelques années consacrée au problème, dans le cadre des travaux connus des spécialistes sous le nom de gravité quantique à boucles (quantum loop gravity en anglais) 2). Autrement dit, le problème, loin d'être insoluble est en voie de solution rapide. Il faudra désormais se pénétrer de cette information décisive

Cependant cette solution qui semble dès maintenant extrêmement solide, et qui dans les prochaines années inspirera certainement les esprits des scientifiques, des philosophes et du grand public reste encore aujourd'hui radicalement inimaginable pour la plupart de ceux-ci. Le temps et l'espace, pour chacun d'entre nous, représentent un cadre incontournable dans lequel paraissent s'inscrire nos actions. Or il ne s'agit, selon la gravité quantique, que de constructions globales commodes mais fausses, cachant la nature profonde de l'univers. De même nos ancêtres étaient-ils convaincus que la Terre était plate alors qu'elle est sphérique.

Le livre de Carlo Rovelli, pionnier de la nouvelle théorie, dont il est même devenu pourrions nous dire le pilote, quitte à offenser sa discrétion, explique qu'en profondeur, le temps et l'espace ne sont ni continus, ni infinis, mais granulaires. Ou plus exactement que l'univers est constitué de granulations ou quanta élémentaires en dehors desquels il n'y a rien, c'est-à-dire pour qui le concept d'infini n'est plus nécessaire puisqu'au delà de ces quanta élémentaires il n'y a effectivement rien. Même pas le vide de la physique appliquée ou de la cosmologie, qui n'est jamais vraiment vide.

Les interactions ou relations entre ces entités « discrètes » qui ne sont ni dans l'espace ni dans le temps, peuvent faire émerger le temps, l'espace, l'énergie, la matière et finalement les structures biologiques et cérébrales propres aux humains et à ce qu'ils nomment leur esprit. Les particules classiques et les champs (électromagnétiques, gravitationnels), qui paraissent aujourd'hui pour le public constituer la réalité profonde, disparaissent au profit de ce que la gravité quantique nomme des « champs quantiques covariants », c'est-à-dire probabilistes et variant en relation les uns avec les autres.

La difficulté , notamment dans sa seconde partie, tient à ce que l'auteur entreprend d'expliquer pour le grand public l'état actuel des recherches en voie d'aboutir à ces conclusions. Comme indiqué plus haut, il n'utilise que des concepts et non des formulations mathématiques, mais ces concepts obligent à un tel effort de représentation qu'ils risquent de rester longtemps encore totalement incompréhensibles par la plupart des humains. Il faut beaucoup de temps au lecteur, malgré les explications précises apportées par le livre, à se représenter par exemple ce que sont des champs quantiques co-variants.

Mais ceci, comme le rappelle Carlo Rovelli, a toujours été le sort des hypothèses scientifiques. Comment, dès l'antiquité grecque, des humains croyant constater que la Terre était plate, pouvaient-ils imaginer une autre humanité vivant sous leurs pieds la tête en bas. Quoi qu'il en soit, les lecteurs qui auront la persévérance de suivre Carlo Rovelli dans ses explications ne le regretteront pas. Pour la plupart d'entre eux – ceux qui n'abandonneront pas le livre en cours de route - une vision du monde incroyablement stimulante commencera à se faire jour.

Par ailleurs, les applications de la gravité quantique ne se limitent pas à mieux représenter notre univers quotidien, la matière et l'énergie. Elles concernent bien plus encore la cosmologie. Celle-ci vient d'admettre des notions longtemps contestées. Il s'agit d'abord de celles décrivant un univers en évolution, né d'un Big Bang et éventuellement suivi d'un Big Crunch et pouvant rebondir vers un nouveau Big Bang. Il s'agit aussi des Trous noirs où sous l'effet de la gravité s'effondre la matière, la lumière et par conséquent le Temps. Le mentionnons pas le grand point d'interrogation qui demeure, concernant la " matière noire."

Or si la cosmologie admet les postulats de la gravité quantique, selon lequel notre univers est un continuum spatio-temporel se dissolvant en une nuée de probabilités néanmoins descriptibles par les équations, elle doit aussi faire le lien entre ces hypothèses et les siennes propres concernant l'univers. Elle devrait aussi admettre la possibilité qu'existent ailleurs que dans notre univers, d'autres continuum spatio-temporels analogues au nôtre, ou différents, et vivant la même histoire, ou des histoires différentes, faisant alors émerger d'autres temps et d'autres espaces, avec éventuellement d'autres lois fondamentales. Précisons cependant que si tout ceci parait encore impossible à vérifier expérimentalement, des perspectives en ce sens commencent à apparaitre.

Recherches nouvelles

Carlo Rovelle ne se limite pas à présenter ce qui semble généralement acquis dans la théorie de la gravité quantique. Il mentionne les domaines qui, selon lui, imposent des recherches nouvelles, auxquelles il se consacre désormais. Il mentionne d'abord le concept d'information, bien défini par Claude Shannon en 1948 et que l'on retrouve dans toutes les sciences et techniques d'aujourd'hui. L'information permet l'établissement d'un réseau d'interactions réciproques entre tous les systèmes physiques. Or ceci, selon Carlo Rovelli, permet de comprendre des aspects encore mystérieux de la mécanique quantique, par exemple pourquoi les effets d'une mesure sont toujours finis, et non infinis comme le prévoit cette dernière : parce que l'information est elle-même finie.

Résumons très sommairement sur ce point l'argument de l'auteur ( p. 228 ) Un système physique se manifeste toujours par la relation qu'il entretient avec les autres. La description de son état est toujours une description de l'information qu'il a d'un autre système, et donc de la corrélation qu'il entretient avec tous les autres systèmes. La mécanique quantique repose sur deux postulats : l'information dans un système physique est finie – on peut toujours acquérir une nouvelle information sur ce système.

Ceci caractérise la granularité de la mécanique quantique, tenant au fait qu'il n'existe qu'un nombre fini de possibilités. Ceci explique aussi l'indétermination, selon laquelle il est toujours possible d'obtenir un nouvelle information sur un système. Or lorsque l'on obtient une nouvelle information sur un système, comme le nombre de celles-ci ne peut croitre indéfiniment, une partie de l'information précédente devient négligeable et s'efface.

Un deuxième thème auquel s'intéresse dorénavant l'auteur est celui du " temps thermique " (p. 232 ). La notion de temps, comme il a été vu, ne joue pas de rôle en gravité quantique. Mais comment comprendre la perception de temps que nous ressentons dans notre expérience quotidienne ? Pour Carlo Rovelli, l'origine du temps est semblable à celle de la température. Elle découle du fait que l'on établit des moyennes sur un grand nombre de variables microscopiques. Or dans la théorie thermodynamique, qui joue un rôle de plus en plus grand en physique, la température, spontanément, décroit toujours avec le temps.

Mais pourquoi peut-on dire que la dissipation de chaleur produit du temps, au lieu de dire que le temps produit de la dissipation de chaleur ? Parce que la notion de chaleur découle du fait que l'on procède à des moyennes sur de nombreuses variables. L'idée de temps thermique vient elle aussi du fait que nous avons seulement affaire à des quantités moyennes intéressant de nombreuses variables. Ainsi, le temps en général n'est qu'un effet de l'ignorance que nous avons à l'égard des micro-états physique des choses.

Ajoutons que les postulats de la gravité quantique décrits par l'auteur justifient un postulat auquel nous avons souvent fait allusion dans cette revue. La physicienne Mioara Mugur Schächter, dans les nombreux travaux qu'elle lui a consacré, l'a nommé principe de conceptualisation relativisée. En simplifiant, nous pouvons dire que cette conceptualisation s'oppose au réalisme dit des essences pour lequel il existe un réel en soi indépendant de l'observateur. De la même façon, Carlo Rovelli, dans son livre, rappelle que pour la mécanique quantique, tout savoir dépend d'une relation entre un objet et un observateur. Il n'est pas possible d'affirmer que l'univers, que la réalité, existent en soi. La connaissance que nous en avons est liée au réseau de relations, d'informations réciproques qui constitue le monde. La gravité quantique n'oblige pas à remettre en cause cette constatation épistémologique découlant de la mécanique quantique. Au contraire, elle lui donne une nouvelle portée.

Commentaires conclusifs

Ajoutons que l'on retrouve dans ce livre tout ce qui fait la force des ouvrages et articles précédents de l'auteur :

* Une connaissance poussée des débuts de la pensée scientifique moderne, datant des premiers siècle de l'Antiquité grecque, avec notamment les grands philosophes, véritablement inspirés, que furent Lucippe et Démocrite. Pour eux, l'univers entier est formé d'un espace vide infini, sans espace ni bords, où circulent d'innombrables atomes. Il rappelle que cette vision prémonitoire fur mal comprise par Platon et Aristote, puis complètement étouffée sous la conquête romaine. A sa suite, le christianisme, relayé par l'islamisme, imposèrent jusqu'au siècle des Lumières et aujourd'hui encore, avec une force renouvelée, des conceptions de l'univers tirées des textes dits sacrés et n'ayant aucune consistance scientifique.

* Un intérêt porté en permanence à la personnalité et à l'oeuvre des grands découvreurs, dont il signale un caractère connu mais mal encore expliqué par la psychologie, l'extrême jeunesse.

* Un plaidoyer constamment argumenté en faveur du rôle véritablement civilisationnel de la science, tenant non seulement à ses applications, mais à sa méthode, la méthode scientifique expérimentale. Or aujourd'hui l'on constate que cette méthode est plus que jamais battue en brèche, non seulement par les religions mais par un mysticisme para-scientifique voire anti-scientifique qui ne cesse de proliférer et se répandre, grâce notamment aux réseaux numériques.

* Un plaidoyer enfin en défense et illustration de l'athéisme, dit aussi matérialisme scientifique. Si les individus sont en droit d'avoir toutes les croyances qu'ils veulent, ils ne doivent pas faire interférer ces croyances avec les processus de la science expérimentale.

Questions complémentaires

La lecture de Par delà le visible, incite le lecteur à se poser, à tort ou à raison, certaines questions débordant quelque peu le cadre de l'ouvrage, mais sur lesquelles nous aimerions connaître le point de vue de Carlo Rovelli. En voici quelques-unes, en désordre :

* Comment expliquer que les grandes avancées de la science ont le plus souvent été dues, non à des progrès dans l'instrumentation, mais à des visions s'étant imposées à certains esprits, souvent très jeunes, en contradiction avec les convictions régnantes les plus affirmées. Pourquoi ainsi Démocrite a-t-il puis concevoir un univers vide peuplé d'atomes, alors que la mythologie régnante faisait appel à des Dieux ou esprits sur le modèle humain ? La même question se pose à l'égard de Einstein et les pères fondateurs de la mécanique quantique, ayant très jeunes bouleversé les conceptions dominantes. Leur cerveau était-il particulier ? Des psychologue ont évoqué une certaine forme d'autisme. Avaient-ils pour des raisons encore inconnues, la possibilité d'accéder ne fut-ce que par éclairs, à des « réalités » plus profondes 3).

* Concernant les théories de la gravitation quantique, comment Carlo Rovelli réagit-il aux arguments pour lesquels Lee Smolin paraît avoir abandonné la théorie des boucles, et peut-être même abandonné le sujet lui-même, tout en refaisant du Temps le cadre immuable de toutes évolutions, comme le suggère son dernier livre 4) Des synthèses seraient-elles envisageables ?

* Nous avons compris que Carlo Rovelli conservait l'approche de la mécanique quantique faisant de l'observateur un couple indissociable de l'observé. Mais qui, dans l'hypothèse d'un univers primordial constitué d'interactions entre « champs quantiques covariants », joue le rôle de l'observateur. S'agit-il d'un rôle alternativement partagé par tous ?

* Comment en ce cas l'univers sort-il d'un état résultant d'interactions a-temporelles et a-localisées entre champs quantiques covariants, à un état comportant l'espace-temps einsténien et les champs quantiques de la mécanique quantique, introduisant le Temps et le déterminisme fut-il probabiliste ? Ce passage est-il obligé ? Autrement dit, tout ce qui constitue notre univers, faisant émerger le temps, la gravité, les champs et les particules, se produit-il en permanence, de façon probabiliste, dans l'univers primordial ?

* Nous avons compris que pour la gravité quantique, ce que notre physique nomme des lois fondamentales de l'univers sont des émergences, pouvant se retrouver différentes dans d'autres univers. Mais ne doit-on pas évoquer l'existence de lois plus fondamentales présidant à l'organisation de l'univers décrit par la gravité quantique (p. 171 et suivantes). On retrouve le problème de la poule et de l'oeuf, auquel Lee Smolin veut échapper.en refaisant du Temps une constante des constantes. Mais en ce cas la question resterait posée. D'où viendrait le Temps ?

Enfin, de façon plus pratique, pourrait-on commencer à imaginer les conséquences applicatives que pourrait avoir la théorie de la gravité quantique. Il serait inimaginable qu'elle n'en ait pas. Nous pouvons pour notre part penser qu'elles seront, si l'humanité ne périt pas dans l'intervalle, beaucoup plus importantes encore que celles de la relativité et de la mécanique quantique. Les auteurs de science-fiction ne manqueront d'ailleurs pas de broder très vite sur ce thème.

Notes

1) Voir à cet égard la page 66 qui présente le concept de « temps étendu », permettant de préciser la structure de l'espace temps. « Pour chaque observateur, le présent étendu est la zone intermédiaire entre le passé et le futur ». On est loin de la conception devenue courante de l'espace temps, selon laquelle l'espace varie en fonction du temps. De même, le livre mentionne le concept de 3.sphères (p. 88) permettant de mieux se représenter l'espace-temps einsténien, concept généralement non évoqué par les commentateurs des travaux d'Einstein.

2) La théorie des cordes, autre approche de la gravité quantique, abondamment financée aujourd'hui par les laboratoires de recherche, grâce à l'habile publicité qu'ont su lui donner certains chercheurs, comme Brian Greene, paraît aujourd'hui en voie d'abandon. Carlo Rovelli n'est pas le seul à le suggérer.

3) Nous avons abordé la question du rôle du cerveau dans la construction des connaissances scientifiques, en relation avec la matière organique et physique dont ce même cerveau est constitué, notamment dans l'article précité.

4) Voir aussi l'article précité.