Lisez AC Grayling déballer la philosophie derrière l’expérimentation

Si une théorie scientifique est élégante, et qu’elle est cohérente avec les faits connus, a-t-elle besoin d’être testée par l’expérience ? La connaissance scientifique est censée être empirique : pour être acceptée comme scientifique, une théorie doit être falsifiable – c’est-à-dire qu’il doit être possible, au moins en principe, de la réfuter empiriquement. Cet argument a été avancé en 1934 par le philosophe Karl Popper, et est généralement accepté par la plupart des scientifiques aujourd’hui comme déterminant ce qui est et n’est pas une théorie scientifique.

Ces dernières années, cependant, de nombreux physiciens ont développé des théories d’une grande élégance mathématique, mais qui sont hors de portée de la falsification empirique, même en principe. La question inconfortable qui se pose est de savoir si elles peuvent encore être considérées comme de la science. Certains scientifiques proposent d’assouplir la définition de ce qui est « scientifique », tandis que d’autres craignent que cela n’ouvre la porte aux pseudo-scientifiques ou aux charlatans pour tromper le public et revendiquer un espace égal pour leurs points de vue.

La question de savoir si des idées scientifiques hautement théoriques peuvent être soumises à des tests expérimentaux se pose pour les idées les plus avancées et les plus puissantes du monde de la physique. La théorie des cordes et l’idée du « multivers » – l’existence d’univers multiples – sont deux théories phares qui tentent d’expliquer les caractéristiques les plus fondamentales du monde physique. Ces deux idées présentent un immense intérêt théorique. La théorie des cordes n’est pas intrinsèquement impossible à tester, mais aucun succès n’a encore été enregistré. Sur le plan expérimental, on peut imaginer une technologie future capable, du moins en théorie, d’accélérer les particules jusqu’à l’échelle d’énergie de Planck. Il s’agit d’un niveau d’énergie mille billions de fois supérieur à celui qui peut être produit par le grand collisionneur de hadrons (LHC) et du point auquel les implications de la théorie des cordes sont censées se manifester. La théorie des multivers présente des obstacles apparemment insurmontables pour l’expérimentation car les autres univers sont intrinsèquement impossibles à détecter, bien que même ici, les physiciens suggèrent des moyens de déduire leur existence.

La physique se dirige-t-elle vers une ère où l’élégance suffira et vers le domaine des théories qui sont hors de portée de la preuve expérimentale ? Ou les preuves empiriques resteront-elles l’arbitre de la science ?

La théorie des cordes est une tentative de développer une théorie unifiée des particules et des forces, et elle a fait irruption sur la scène il y a 30 ans. La théorie postule que de minuscules entités unidimensionnelles – les cordes – existent dans des dimensions supérieures à celles que nous connaissons actuellement, et que ces étranges phénomènes de haute dimension sous-tendent toute la physique. Depuis son élaboration, les techniques de la théorie des cordes ont été largement utilisées avec succès par les mathématiciens. Mais la motivation initiale – créer une théorie scientifique qui unifie les lois régissant le comportement des particules et des forces – est au point mort. Selon le cosmologiste George Ellis, ancien professeur à l’université du Cap et autorité mondiale en matière de physique du cosmos, la théorie des cordes est « une exploration de structures mathématiques fascinantes qui peuvent ou non être liées à l’univers physique ». Donc, en termes d’applicabilité à l’univers réel, c’est une science hypothétique plutôt qu’une science testable. »

Frank Wilczek, professeur de physique au Massachusetts Institute of Technology et lauréat du prix Nobel de physique 2004, décrit ainsi la situation actuelle : « La communauté de la théorie des cordes contient de nombreux individus sérieux et doués qui essaient de comprendre la nature, et il serait fou de les exclure de la science. Mais pour moi, les parties de la science qui utilisent quelques hypothèses pour expliquer beaucoup de choses sur le monde sont les plus impressionnantes et les plus importantes, et de ce point de vue, la théorie des cordes pourrait être améliorée. »

Le défi lancé par Wilczek et Ellis est de savoir si des preuves pour soutenir la théorie des cordes pourraient jamais être trouvées par l’expérience. L’une des pistes de recherche concerne un élément central de la théorie. Celle-ci soutient que chaque particule de matière, comme les électrons ou les quarks, a un partenaire parmi les particules qui transmettent les forces – des « bosons » comme le photon et les gluons. Cette propriété est connue sous le nom de supersymétrie. M. Wilczek fait remarquer qu’il s’agit d' »un ingrédient important de la théorie des cordes ». Sa découverte, sans être une preuve, serait donc encourageante »
. Cependant, aucune preuve de supersymétrie n’a encore été détectée au LHC, l’accélérateur de particules situé à la frontière franco-suisse, qui est l’installation à la plus haute énergie du monde et donc la mieux équipée pour la tester. En juillet 2012, l’accélérateur a connu un triomphe très médiatisé lorsqu’il a confirmé l’existence du boson de Higgs, la particule qui donne leur masse à certaines particules fondamentales.

La découverte était d’une telle importance parce qu’elle complétait le « modèle standard » des particules et des forces : la théorie de base que les physiciens ont développée sur les éléments constitutifs fondamentaux de la nature. Pourtant, il n’existe actuellement aucune preuve empirique à l’appui d’une quelconque physique – comme la supersymétrie – qui se situe en dehors du modèle standard. Pour suivre les conseils de Popper sur ce qui est scientifique, nous devrions dire que la théorie des cordes se situe actuellement en dehors de la science.

Cependant, les physiciens sont optimistes et pensent qu’une percée pourrait bientôt être faite dans la recherche d’un type particulier de matière connu sous le nom de « particules sombres ». La supersymétrie prédit l’existence de particules dont les propriétés pourraient être compatibles avec celles de la matière noire. Donc, si les scientifiques pouvaient trouver des preuves de l’existence de la matière noire, cela soutiendrait la théorie de la supersymétrie et compterait comme une première étape pour fournir une base empirique à la théorie des cordes.

Les physiciens ont longtemps observé que les mouvements des étoiles et les interactions des galaxies suggèrent qu’elles ressentent plus de force gravitationnelle que ce qui peut être expliqué par les étoiles visibles. On pense que cette force gravitationnelle manquante est exercée par la matière noire.

Wilczek est optimiste et pense que le LHC pourrait permettre une percée. Ses espoirs sont partagés par Rolf-Dieter Heuer, le directeur général du Cern, qui exploite le LHC. Selon lui, l’énergie plus élevée du LHC rénové « ouvrira une fenêtre pour des découvertes directes au-delà du modèle standard. » De l’avis de Steven Weinberg, le lauréat du prix Nobel dont les travaux ont été au cœur du développement du modèle standard, la découverte des particules de matière noire serait « la plus excitante de toutes »

En théorie, donc, les preuves de la validité de la supersymétrie pourraient être trouvées par la science. Il en va de même pour la matière noire. Ni l’un ni l’autre ne confirmerait la théorie des cordes, mais ils constitueraient une première étape. L’idée est donc, en principe, ouverte aux tests empiriques.

La théorie des multivers, cependant, est plus problématique. Comme il n’y a aucune possibilité de communication entre nous et d’autres univers, il n’y a aucun moyen empirique de tester la théorie des multivers. George Ellis le souligne explicitement : « Dans un modèle général de multivers, tout ce qui peut arriver arrivera quelque part, de sorte que toutes les données, quelles qu’elles soient, peuvent être prises en compte. Il ne peut donc être réfuté par aucun test d’observation. » Par implication, le concept de multivers se situe en dehors de la science.

« Les outils mathématiques nous permettent d’enquêter sur la réalité, mais les concepts mathématiques eux-mêmes n’impliquent pas nécessairement la réalité physique »

Depuis que les humains poursuivent la science, ils ont essayé de comprendre l’univers. Wilczek dit : « La physique moderne implique qu’il est plausible que le monde physique puisse exister sous des formes qualitativement différentes, similaire dans l’esprit à la façon dont l’eau peut exister en tant que glace, eau liquide ou vapeur. Ces différentes formes… peuvent en effet mettre en œuvre différentes lois de la physique. Si des régions de l’espace aussi diverses existent, alors l' »univers » tel que nous l’avons défini n’est pas la totalité de la réalité. Nous appelons l’ensemble de la réalité le multivers. »

Ellis et son collègue cosmologiste Joe Silk, professeur à l’Université de Pierre et Marie Curie à Paris, appellent cela « un multivers kaléidoscopique comprenant une myriade d’univers ». Ils posent alors, comme mandataires de nombreux physiciens, le défi de base : la suggestion qu’un autre univers ne possède pas nécessairement les mêmes constantes fondamentales de la nature que le nôtre inspire la question de savoir ce qui détermine les valeurs dans notre univers. Parmi la variété d’univers qui pourraient exister, les conditions de l’étroite gamme de paramètres pour lesquels la vie intelligente pourrait exister sont insignifiantes. Les chances que nous existions sont donc si infimes que la théorie des multivers prétend qu’il existe un « paysage » d’univers « là-bas » dans lequel toutes les valeurs possibles de ces paramètres existent. Ainsi, un univers existera quelque part avec les conditions idéales pour la vie, et nous en sommes la preuve.

Weinberg accepte que le multivers a peu de chances d’être confirmé par des observations dans notre « sous-univers » spécifique. Mais il soutient que cela n’est pas nécessairement fatal à la validité scientifique de la théorie. « L’idée du multivers est très spéculative, dit-il, mais ce n’est pas une spéculation totalement déraisonnable. L’existence d’un multivers pourrait un jour être confirmée en la déduisant d’une théorie qui est confirmée par le succès de suffisamment d’autres prédictions. »

Dans cette veine, Wilczek souligne que les théories scientifiques peuvent toujours être utiles même lorsqu’elles ne sont que partiellement comprises. Il déclare : « C’est une pratique très courante et fructueuse de travailler avec des structures théoriques beaucoup plus vastes que ce que nous pouvons observer à leur sujet. » Un exemple qu’il cite est la théorie quantique, un outil de base de la physique théorique, qui regorge de concepts qui semblent contredire notre notion intuitive du comportement des choses. De nombreux théoriciens, dont moi-même, ne sont pas à l’aise avec ses fondements, mais parviennent pourtant à appliquer ses mathématiques avec confiance et succès empirique. La théorie de la mécanique quantique est une science parce qu’elle peut en principe être réfutée. Elle a survécu à d’innombrables tests et fait d’innombrables prédictions réussies. Ellis et Silk nous rappellent que le multivers est peut-être un dispositif mathématique commode, mais que cela n’implique pas que ces univers aient une « réalité ». Ils enfoncent le clou en rappelant l’avertissement du mathématicien allemand David Hilbert : « Bien que l’infini soit nécessaire pour compléter les mathématiques, » disait-il, « il ne se trouve nulle part dans l’univers physique. »

C’est là l’essentiel. Les outils mathématiques nous permettent d’étudier la réalité, mais les concepts mathématiques eux-mêmes n’impliquent pas nécessairement la réalité physique. Ainsi, les preuves à l’appui d’une théorie doivent être expérimentales ou observationnelles, et non simplement théoriques. Ellis et Silk font valoir ce point avec force, et mettent en garde contre la notion selon laquelle « les découvertes théoriques renforcent la croyance ». Ils nous rappellent que « Les expériences ont prouvé que beaucoup de belles et simples théories étaient fausses. »

Wilczek donne un exemple d’une telle théorie dans son livre Une belle question. Au 17e siècle, l’astronome allemand Johannes Kepler s’est convaincu d’avoir développé un modèle de la structure du système solaire. Sa « théorie » avait une beauté géométrique séduisante qui a convaincu Kepler qu’il était tombé sur le plan de Dieu. Il écrit : « Je me sens emporté et possédé par un ravissement indicible devant le spectacle divin de l’harmonie céleste. » Mais sa théorie était fausse – le modèle planétaire de Kepler a finalement été mis à mal, notamment par la découverte d’autres planètes. Pourtant, comme nous le rappelle Wilczek, bien que Kepler se soit trompé dans sa description de la disposition des planètes, il était exact dans sa description de leur mouvement – les orbites planétaires ne sont pas des cercles mais des ellipses, et le soleil n’est pas au centre de l’ellipse, mais situé à un « foyer » de l’ellipse. Ces découvertes ont inspiré Isaac Newton pour l’élaboration de sa loi de la gravité.

Nous pourrions espérer un parallèle moderne : que l’engouement pour la théorie des cordes inspire les expérimentateurs du LHC pour la découverte de la supersymétrie. Celle-ci pourrait à son tour résoudre le mystère de la matière noire, dont l’existence était soupçonnée par le refus apparent des mouvements des galaxies d’étoiles d’obéir aux règles de Kepler et de Newton. Ou, peut-être, la supersymétrie et les particules sombres refuseront-elles d’apparaître au LHC, car elles n’existent pas. Être écarté par l’expérience serait un revers, mais ce serait un revers scientifique. Dans le grand projet humain de mieux comprendre les lois physiques qui régissent le comportement de la matière et des forces, cela compterait comme un progrès.