Science, humain, temps et gravité quantique : un résumé

Attention : j'ai lu la réédition de 2014 (qui ne diffère pas tant que ça de celle de 2012, je crois).

Carlo Rovelli est excellent car il n'hésite pas à mettre beaucoup d'histoire de relations humaines dans son livre, qui mêle son propre parcours à une vulgarisation. Ce qui suit est une tentative de résumé.

Préface à la seconde édition

Rovelli est à la pointe de la recherche, mais en restant excellent vulgarisateur et sans être déconnecté du bourdonnement du monde. Cette dernière édition (celle de 2012, donc, et dans une moindre mesure, de 2014) est beaucoup plus pointue et plus large que l'initiale de 2004.

Prologue

Rovelli a eu une passion relativement tardive pour la science, il était rebelle, mais lisait beaucoup, a beaucoup voyagé, mais ne savait pas encore quoi faire à mi-chemin de ses études. En tout cas, il savait qu'il se moquait complètement de toute idée carriériste. En découvrant la mécanique quantique et la relativité générale en troisième année de physique, il a été émerveillé et s'est lancé dans la recherche. Il voit la science comme une façon de mêler aventure et contribution au monde. Étant un rêveur curieux, la recherche constitue un refuge, comme l'art peut l'être pour d'autres.

Chapitre 1. Un problème extraordinaire : la gravité quantique

Il a découvert la gravité quantique par la lecture d'un article de Chris Isham. L'introduction de la notion de gravité quantique est la conséquence d'un état de fait en physique : la mécanique quantique et la relativité générale sont deux façons très différentes de voir le monde, qui donnent une physique à double personnalité. D'un point de vue historique, l'unité newtonienne qui prévalait au XIXe a été pulverisée par les nouvelles théories. Une des ambitions de la gravité quantique est d'appliquer les conséquences de la relativité générale à très petite échelle (celle des singularités).

Chapitre 2. Espace, particules et champs

Petit à petit, Rovelli nous fait part de résultats divers de la physique contemporaine : par exemple, que l'espace lui-même est dynamique, qu'il n'est pas qu'un contenant immuable. Pour introduire la notion de champ gravitationnel, Rovelli décrit ce qu'est le champ électromagnétique. C'est une sorte d'entité diffuse qui occupe tout l'espace. Il est modifié par les charges électriques en présence, mais existe même sans charge : les "lignes de champ", qui décrivent le champ, se referment alors sur elles-mêmes. Ce champ, cette présence physique, a été découverte par Faraday, qui l'a traité de manière plutôt empirique et intuitive, et Maxwell, qui a aidé à mathématiser les intuitions de Faraday. Les champs se meuvent et ondulent comme les vagues de la mer. La lumière est une vague dans ce champ, une onde.

Puis, la force de gravitation, décrite initialement par Newton, a été revue par Einstein, sous la perspective d'un champ gravitationnel, les équations de ce champ ressemblant à celles de Maxwell. Le champ gravitationnel est l'espace, qui donc se déforme sous l'effet des masses. L'espace en lui-même, tel que le concevait Newton, comme un contenant immuable, n'existe pas : le monde n'est que particules et champs. Comme le dit Carlo, l'espace est comme une baleine, un gros animal, sur lequel vivent d'autres animaux. À notre échelle, l'espace ne nous paraît pas courbé : ses courbures sont très subtiles. Dans l'histoire de la théorie de la relativité, Einstein l'a d'abord envisagée comme restreinte, sans gravité, puis générale, avec gravité. La théorie de la relativité générale est décrite par des mathématiques complexes, mais qui la rendent belle et cohérente. Einstein a résolu beaucoup de contradictions des théories précédentes, et depuis, sa théorie est largement confirmée. Une de ses applications technologique, par exemple, est le GPS.

La mécanique quantique fut un autre bouleversement. Elle apporte de la discontinuité au monde femtoscopique : l'énergie y est vue comme granulaire, de même que le champ électromagnétique. De plus, la dynamique d'une particule n'est pas déterministe, mais probabiliste.

L'hypothèse de Carlo Rovelli, et d'autres avant lui, est que le champ gravitationnel, l'espace, doit pouvoir être vu comme le champ électromagnétique : quantifiable. Mais d'ailleurs, il n'y a pas que l'espace : il y a le temps. Les deux sont en fait indissociables : on parle d'espace-temps. Carlo Rovelli a étudié le problème de la gravité quantique dès ses années études. C'est à cette époque qu'il a découvert une des équations prometteuses de ce domaine, combinant relativité générale et mécanique quantique : l'équation de Wheeler-DeWitt. Dans l'état où elle était, elle ne permettait pas d'aller très loin.

Chapitre 3. Naissance de la théorie des boucles

Carlo Rovelli a donc voyagé pour rencontrer les grandes figures de la gravité quantique. Chris Isham, un des principaux chercheurs de ce domaine, a corrigé les premiers errements de Carlo. Abhay Ashtekar avait réécrit les équations de la relativité générale, mais légèrement différemment : Carlo l'a rencontré pour constater cela. Lee Smolin, avec Ted Jacobson, ont exploité la réécriture d'Ashtekar dans les équations de Wheeler-DeWitt. Carlo a sympathisé avec Lee et Ted, et tous les trois ont découvert que la combinaison de la réécriture d'Ashtekar avec les équations de Wheeler-DeWitt révélaient les boucles des lignes du champ gravitationnel quantique (les trois en ont profité pour réécrire une meilleure équation de Wheeler-DeWitt). L'espace était donc un tissu de boucles qui s'enchaînent les unes aux autres dans les 3 dimensions, et ces boucles d'espaces s'ouvrent au voisinage des masses, tout comme les boucles du champ électromagnétique s'ouvrent sous l'action des charges électriques. Il n'y a donc plus d'espace, que des particules et des champs, dont les boucles du champ gravitationnel. La théorie des boucles est née, en 1987. Cette naissance était aussi celle d'une amitié, entre Carlo et Lee, ce dernier ayant été très généreux vis-à-vis du premier. Le monde de la science peut être, comme tous les autres milieux humains, lieu de rivalités et de méfiance. Il peut arriver à un scientifique d'être malhonnête, ou, dans une moindre mesure, de publier des résultats dont les idées étaient involontairement inspirées d'autres. La science avance sur les humains, et Carlo, après ses voyages, est allé à Rome, a vécu un temps sur sa bourse, puis a préféré devenir professeur à Pittsburgh, pendant dix ans, plutôt que chômeur en Italie.

Chapitre 4. Interlude : la science ou l'exploration permanente de nouvelles façons de penser le monde

À Pittsburgh, il y a un Center for the History and Philosophy, ce qui a enchanté Carlo. La philosophie est indispensable aux sauts conceptuels en physique. À la moitié du XXème, il y a eu une baisse des relations entre physique et philosophie, car l'étude des applications de la mécanique quantique et de la relativité générale était prioritaire. Mais la gravité quantique pose de nouveaux problèmes fondamentaux, qui demandent philosophie. La philosophie des sciences anglo-saxonne donne plus d'intérêt à la science contemporaine, que celle de l'Europe occidentale. Par exemple, dans la philosophie des sciences continentale, on peut ressentir l'idée diffuse que la vérité est un concept fondé dans l'absolu, et non purement interne au discours. De plus, la science est de moins en moins populaire. Aux États-Unis, on est même parfois dans l'obscurantisme, avec la réfutation de la théorie de l'évolution, par exemple. La peur est aussi présente par rapport à la médecine : la science fait de moins en moins "culture". En fait, la science dont on a peur est souvent une science caricaturale, qui n'est pas celle d'aujourd'hui. Aussi, la séparation entre sciences humaines et sciences dures est artificielle.

Les représentations scientifiques ont des limites, ce qui fait leur force. La pensée scientifique, c'est savoir se remettre en cause. La science, c'est le "je sais que je ne sais rien" de Socrate. La science est une remise en question continue.

L'humanité, dans ses premières conceptions, distinguait le haut, du bas, vers lequel on tombait. Anaximandre, vers 600 AÈC, a été le premier à dire que le ciel "continuait en bas", et que la Terre était un gros caillou qui y flottait. Anaximandre a aussi dit que les choses ne tombaient pas "vers le bas", mais vers la Terre. Aristote a fait suite à Platon, qui faisait suite à Anaximandre. Anaximandre a aussi inventé le concept d'apeiron, qui peut avoir de nombreuses significations, mais qui peut être vu comme l'ancêtre de l'atome, du grain fondamental.
Avant Newton, l'espace n'était pas vu comme un espace-boîte, comme un espace immuable. On est progressivement passé, dans l'histoire, d'une définition de l'espace comme une relation entre les choses, à l'espace comme une entité à part entière. La gravité quantique abolit cette notion d'espace comme entité.

La science, c'est donc reconstruire sa pensée, même en mouvement. Est scientifique ce qui est la meilleure réponse... pour le moment. La vision du monde qui rend le mieux compte de la complexité est la vision scientifique. Mais la science n'est pas pure rationalité : elle avance aussi par intuitions. La science nous dit de laisser tomber nos préjugés.

Chapitre 5. Les boucles : grains d'espace, réseaux de spin, cosmologie primordiale et chaleur des trous noirs

Lee, Ashtekar et Carlo travaillent ensemble, et découvrent que les boucles, très petites mais de taille finie, n'étaient pas seulement entremêlées mais s'intersectaient. Chaque intersection de boucle est un quanta d'espace. Ces intersections, qui sont donc des points, peuvent se superposer, et le nombre de boucles superposées sur le même point est ce qu'on appelle le spin. Ces points, caractérisés par leurs spin, forment un réseau, et chaque noeud du réseau est un "grain d'espace". Le calcul du spectre d'un volume, c'est à dire l'ensemble des valeurs que peut prendre un volume, est donc quantifié : un mètre cube vaut à peu près 10^100 quanta d'espace. On peut définir le même type de quantification pour une surface, et une page (considérée comme surfacique) du livre, par exemple, est traversée par 10^70 boucles. Le réseau de spin change sans arrêt, il fluctue, et fluctue quantiquement. John Wheeler a contacté Carlo et a approuvé ses résultats. Wheeler avait cette même intuition sur l'espace.

Aujourd'hui, la gravité quantique à boucles est étudiée partout. Elle rejoint les idées de Stephen Hawking sur le rayonnement des trous noirs. Étudier et observer ce rayonnement pourrait constituer un test expérimental de vérification de la théorie des boucles. Un autre test aurait pu être la vérification que les "grains d'espaces" aient un effet détectable sur les rayons lumineux, mais cet effet aurait violé la "symétrie de Lorentz locale". Mais la théorie des boucles va peut-être pouvoir se faire confirmer en cosmologie, domaine qui se développe énormément ces trente dernières années.

La cosmologie nous apprend que l'univers est en expansion accélérée. Au moment du Big Bang, d'après la théorie des boucles, l'univers était peut-être constitué d'un petit nombre de grains d'espaces. Ashtekar a développé les idées prévues par la théorie des boucles au moment du big bang, ce qui a donné le big bounce : l'univers se serait précédemment contracté jusqu'à un grain, puis aurait donné le big bang que nous connaissons. Ces faits sont possiblement visibles dans le fond diffus cosmologique, mais pour le moment, ce n'est pas distinguable des marges d'erreur des instruments de mesure. Des ondes gravitationnelles ont cependant été possiblement détectées dans la polarisation de la lumière du fond diffus cosmologique, ce qui pourrait constituer un indice en faveur de la théorie des boucles. Relier équations et observations est un travail complexe, car il faut connaître gravité quantique et cosmologie. C'est ce que tentent d'accomplir Aurélien Barrau et son équipe, par exemple. Des phénomènes étranges se passent au big bang : l'espace-temps lui-même devient probabiliste, ce qui fait que parler d'"avant" le big bang n'a plus vraiment de sens.

À propos des trous noirs en gravité quantique : le centre des trous noirs peut aussi devenir compréhensible grâce à la gravité quantique à boucles. En vertu de ses principes, un trou noir ne pourrait se contracter jusqu'à l'infini : la matière qui s'effondre devrait se condenser jusqu'à la densité de Planck. Aussi, après effondrement, la matière de l'étoile est censée rebondir, exploser même, mais comme le temps passe beaucoup plus lentement en gravité extrême, nous ne le voyons pas. 1s dans l'horloge d'un trou noir pourrait correspondre à 13 milliards d'années pour nous. Ce temps pour aller jusqu'à l'explosion dépend de la masse initiale du trou noir, et l'explosion se fait après un certain temps d'évaporation (car les trous noirs s'évaporent). À l'explosion, la pression gravitationnelle pulvérise ce qui reste de l'étoile, qui se transforme en rayons gamma, parfaitement détectables. Ces sursauts gammas, déjà détectés, proviennent d'étoiles qui se transforment en trous noirs, mais il se peut que certains viennent d'explosions de trous noirs eux-mêmes.

Chapitre 6. Le temps n'existe pas

Depuis la relativité restreinte, on est bien loin de voir le temps comme universel. Dire que deux évènements se passent "au même moment" n'a pas de sens. Le paradoxe des jumeaux en est un au sens étymologique de paradoxe, mais pas au sens physique. Poincaré est souvent sous-estimé dans sa contribution, mais l'idée vient bien d'Einstein. Les applications de la relativité sont nombreuses, la relativité générale est par exemple indispensable dans les GPS. Les militaires chargés des premiers lancers de satellite n'y croyaient pas, mais l'expérience leur a donné tort. Chaque endroit de l'espace a son temps : il n'y a pas d'horloge cosmique universelle. La conception d'espace-temps met encore du temps à se répandre, comme l'héliocentrisme après la révolution copernicienne.

En réalité, le temps n'existe pas, il n'y a que champs et particules. Habituellement, dans les équations de la physique, la variable t du temps intervient systématiquement, cette habitude remontant à Galilée. En effet, Galilée, pour ses équations, avait besoin d'une horloge, or, il n'y avait pas d'horloge à l'époque, donc Galilée s'est servi d'un pendule. La légende dit que Galilée, pour trouver son pendule, a constaté que les oscillations d'un chandelier de la cathédrale de Pise étaient régulières. Mais cette régularité était elle-même mesurée par rapport aux battements de son propre pouls. Cet exemple permet de constater qu'on ne mesure jamais le temps lui-même : on mesure des variables physiques qu'on compare à d'autres, en prenant généralement des phénomènes cycliques comme référence. La variable t est une commodité qui représente un certain nombre de cycles d'un phénomène naturel, commodité efficace pour comprendre la nature. Mais cette variable t n'existe plus dans le monde femtoscopique. En fait, le temps est la façon dont un objet change par rapport à d'autres objets. Carlo prédit qu'espace et temps vont disparaître de nos conceptions physiques, comme a disparu la notion de centre de l'univers.

Tous les physiciens n'ont pas ce point de vue : Lee Smolin, par exemple, défend une notion de temps absolu. Il a l'idée que toute loi physique a cours pendant un certain temps, philosophie qui s'enracine dans le pragmatisme américain classique. Il dit, par exemple, que les lois du jeu d'échecs n'existaient pas avant l'existence des échecs, mais que le temps, lui, existait. Rovelli dit que Lee confond plusieurs idées. On sait que les lois que nous connaissons ont une validité limitée, que nous sommes loin d'une théorie du tout, mais chercher des lois de plus en plus larges est le meilleur outil de compréhension inventé par l'homme. Les lois de la physique s'appliquent certes différemment à différents stades de l'univers, mais cela n'empêche pas leur généralisation. Absence de temps ne signifie pas monde gelé : l'explication "temps" a tout de même une validité à certaines échelles. La notion de temps contient une richesse d'hypothèses implicites et de présupposés.

Malgré cette inexistence du temps au niveau femtoscopique, il faut expliquer notre perception du temps au niveau macroscopique. Le macroscopique nous échappe, dans chacun de ses atomes. Nous pouvons nous aider de la thermodynamique. Celle-ci permet la description sous forme statistique d'un système. Avec cela, le temps serait un phénomène émergent (au sens du concept philosophique d'émergence) dans le contexte statistique thermodynamique. Le temps est un effet de notre ignorance des détails du monde. Alain Connes et Rovelli ont travaillé à ce sujet. Rovelli avait formulé un cas particulier de la notion d'émergence du temps, alors qu'Alain Connes était plus général. Ils ont par la suite publié un article sur le sujet (disponible ici : https://arxiv.org/pdf/gr-qc/9406019.pdf. L'ensemble des articles de Carlo Rovelli sont disponibles ici : https://arxiv.org/search/?searchtype=author&query=Rovelli%2C+C). L'émergence du "temps thermique" peut être rattaché à la structure non-commutative de la mécanique quantique. L'entropie "fabrique" le temps, comme la chute "fabrique" le bas.

Le séjour aux États-Unis de Rovelli lui a montré qu'on y était plus "libre", moins contraint administrativement, mais que les valeurs humaines y étaient différentes. Les revendications de liberté servent souvent de justification à l'impérialisme américain. Suite à cela, Rovelli a déménagé à Marseille, dont il adore la diversité et les paysages.

Chapitre 7. Les boucles, les cordes et les autres

La France abrite beaucoup de chercheurs en gravité quantique à boucles. Il existe deux formulations à la théorie des boucles : une plus récente, dite "covariante", à la Feynmann (plus présente en France, Canada et Grande-Bretagne), et une "Hamiltonienne" (plus présente en Allemagne). Malgré la disparition du temps, on peut toujours parler d'espace-temps, mais en évitant de faire l'amalgame entre phénomène référentiel et temps absolu. De même, parler d'espace est à peu près équivalent du fait de parler de réseau de spin. Dans la théorie des boucles "à la Feynmann", chaque état A d'un réseau de spin qui va vers un état B a une probabilité d'être vu, et pèse dans le résultat final. Chacun de ces états peut être vu comme la tranche d'une mousse congelé, la mousse représentant le réseau de spin. La description en "mousse de spin" est une des directions les plus actives de la théorie des boucles. Les "amplitudes" des mousses de spin ont été prouvées finies, ce qui est une bonne avancée.

La théorie des cordes est une autre approche de la gravité quantique, plus ambitieuse, totalisante. C'est une des théories les plus à la mode, même si elle suscite moins de vocations aujourd'hui. Elle a besoin de l'existence d'une dizaine de dimensions, qui seraient repliées sur elles-mêmes, et de supersymétrie. La supersymétrie n'a pas été montrée par le LHC, et la théorie des cordes "sonne faux" pour un relativiste : en théorie des cordes, on est toujours dans un espace de référence, alors qu'en théorie des boucles, qui est plus synthétique entre mécanique quantique et relativité générale, on se place sans espace de référence. La théorie des cordes a été favorisée, car découlant plus directement de la mécanique quantique, qui a donné naissance à un plus grand nombre d'applications technologiques, contrairement à la relativité générale (à l'époque). Il y a d'autres idées, comme celles de Roger Penrose et sa théorie des twisteurs, ou Alain Connes et la géométrie non commutative. Les relations entre "cordistes" et "bouclistes" sont parfois polémiques.

Mais toutes ces théories ne sont pas encore établies par l'expérience, et certains résultats ont même été démentis. Théories établies et théories spéculatives ont parfois une frontière floue, la confusion pouvant se trouver jusque chez les scientifiques. Les théories spéculatives sont peut-être fausses, mais pas dénuées d'intérêt. La théorie des cordes est parfois faussement présentée comme acquise.

Malheureusement, le soutien à la recherche est de plus en plus dirigé vers l'industriel et le technologique. C'est une vision à court terme, car les bonds technologiques viennent depuis toujours des bonds dans la compréhension fondamentale du monde. Souvent, le carriérisme est favorisé en Europe, la curiosité aux États-Unis.

Dans ces nouvelles théories physiques, tout reste ouvert, à confirmer.

Épilogue

Les civilisations égyptiennes et mésopotamiennes étaient protectionnistes, centralisées, hiérarchisées, conservatrices, et n'ont que peu évolué. La Grèce était bien plus dynamique et ouverte. Chez les grecs, démocratie et discussion étaient propices au développement du savoir. Le dialogue est plus fertile que la force. En science, la reconnaissance honnête du fait que nos représentations peuvent être fausses est le point central. Science et démocratie vont ensemble. La science, c'est aussi la transgression de la pensée établie (d'ailleurs, le mot révolution vient d'un texte de Copernic). Science est doute, mais aussi émerveillement, beauté. Aujourd'hui, on se méfie de la science : replis identitaires, dépenses militaires en augmentation, extrêmes droites qui se développent. La pensée scientifique se répand tout de même et une civilisation mondiale prend forme. L'Europe qui se replie n'est pas intéressante. Rovelli nous dit : rebellons-nous, rêvons, cherchons d'autres mondes meilleurs. Ignorons toutes les mises en garde dans la poursuite de nos rêves.