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Conservatisme et révolutions scientifiques

31 Juillet 2005, 00:00am

Publié par Fabien Besnard

Conservatisme et révolution scientifique.

 

Lors de la conférence « le siècle d’Einstein », Carlo Rovelli a fait une remarque très intéressante sur les articles de 1905 du grand physicien. À cette époque trois grandes théories dominaient la physique : la mécanique, l’électromagnétisme et la thermodynamique (ou la physique statistique, si l’on préfère). Or les articles d’Einstein se situaient précisément aux trois interfaces entre ces grands domaines : électromagnétisme et mécanique (relativité restreinte), électromagnétisme et thermodynamique (effet photoélectrique), mécanique et thermodynamique (mouvement brownien).

Rovelli souligne que c’est en prenant au sérieux la physique de son temps, en étant d’une certaine manière très conservateur, qu’Einstein a été amené à des découvertes révolutionnaires. Autrement dit ce ne sont pas les hypothèses dont est parti Einstein qui étaient révolutionnaires, mais les conclusions auxquelles il est parvenu, en partant uniquement de principes physiques reconnus ou de faits expérimentaux (la constance de la vitesse de la lumière dans tous les référentiels, plus tard l’égalité de la masse grave et de la masse inertielle) promus au rang de principes.

Aujourd’hui la physique théorique est dominée par deux grands domaines : la théorie quantique des champs, et la relativité générale, et le point de vue que développe Rovelli dans son livre « Quantum Gravity » est qu’il faut prendre ces théories au sérieux, sans faire d’hypothèse fracassante. Bien sûr son idée est que la gravité quantique à boucle réussit la jonction entre la théorie quantique et la relativité générale en suivant ce chemin « conservateur ».

Il faut reconnaître que, sans faire d’hypothèse physique nouvelle, la gravité quantique à boucle parvient à des conclusions remarquables, comme la quantification de l’aire, tandis que la théorie des cordes enchaîne les hypothèses (hypothèse initiale des cordes, dimensions supplémentaires, supersymétrie, etc… )  sans parvenir à aucune véritable prédiction.

Bien sûr, in fine, l’expérience tranchera mais il me semble que Rovelli ne fait que rappeler des principes scientifiques de base, qu’on pourrait rapprocher du rasoir d’Occam, qui ont historiquement fait la preuve de leur fécondité, tandis que les belles idées, issues des plus grands esprits que la Terre ait porté, mais finalement abandonnées, se comptent par dizaines.

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Constante cosmologique et gravité holographique

24 Juillet 2005, 00:00am

Publié par Fabien Besnard

Je continue à résumer ici quelques contributions qui m'ont paru importantes à la conférence "Le siècle d'Einstein".

Thanu Padmanabhan a fait un exposé très intéressant dont il est ressorti trois points importants : 1) il semble bien qu'il y ait une constante cosmologique 2) Si on veut interpréter cette constante comme une énergie du vide on a un gros problème d'ordre de grandeur, mais 3) ce problème pourrait se résoudre si on considère qu'il y a un mécanisme de suppression impliquant la gravité quantique, et qui ne laisserait subsister que de petites fluctuations.

Concernant le premier point, les observations expérimentales s'accumulent pour montrer que l'univers accélère son expansion. On peut interpréter cette accélération comme étant due à une énergie exerçant une pression négative, que l'on a baptisée "énergie noire". Cependant il se peut également que cette accélération soit due à la présence d'une constante dans les équations d'Einstein, appelée constante cosmologique. La présence de cette constante est parfaitement compatible avec la relativité générale, en fait Einstein l'avait initialement annulée pour simplifier ses équations, puis il l'a ajouté pour obtenir un modèle d'univers statique et fermé (une constante cosmologique positive exerce une sorte de répulsion cosmique qui peut contrecarrer exactement l'effondrement gravitationnel si on l'ajuste finement, mais ce modèle est instable), puis il l'a supprimé à nouveau lorsqu'il est apparu que l'univers était en expansion. De nombreux modèles ont été mis en avant pour "expliquer" l'énergie  noire : quintessence et autres champs exotiques. D'après Padmanabhan il s'agit là d'un mauvais travail d'ingénieur : on peut toujours sortir de son chapeau un champ inconnu pour coller aux données, tandis que l'explication la plus simple, compatible avec la relativité générale est la présence d'une constante cosmologique positive. Il est clair que la physique connue, la seule à laquelle on puisse se fier, ne donne aucune raison d'annuler a priori la constante cosmologique. Tandis que si on veut expliquer l'accélération par l'énergie d'un champ inconnu, on se retrouve avec deux problèmes au lieu d'un : primo il faut expliquer pourquoi la constante est nulle, et deuzio il faut expliquer d'où vient ce champ.

On peut également identifier la constante cosmologique avec une contribution de "l'énergie du vide", telle que celle-ci apparaît en théorie quantique des champs. Le problème est que l'ordre de grandeur n'est pas le bon, mais alors pas du tout. En fait la théorie quantique des champs peut donner quatre réponses possibles pour l'énergie du vide : 0, l'infini, un nombre énorme qui tombe 123 ordres de grandeurs au-dessus de ce qu'on observe, ou n'importe quel nombre choisi par convention (voir ce lien pour plus d'explications). Aucune réponse n'est bien sûr satisfaisante, mais Padmanabhan pense que la gravité quantique (dont nous ne disposons pas encore) pourrait engendrer un mécanisme de suppression, mais que bien sûr, ce mécanisme étant quantique, il serait sujet à de petites fluctuations qui auraient le bon ordre de grandeur (voir ce papier). C'est bien sûr très conjectural mais c'est néanmoins intéressant, d'autant plus que Padmanabhan a associé cette idée à une autre que j'ai trouvée remarquablement intrigante. Voici en deux mots de quoi il s'agit, histoire de vous allécher : la gravité est fondamentalement holographique, et cela peut se comprendre d'un point de vue thermodynamique. Ce dernier point est développé ici. Les grandes idées sont les suivantes : 1) beaucoup de solutions des équations d'Einstein ont des horizons des événements 2) en conséquence l'action d'Einstein-Hilbert s'étend à des régions qui sont inaccessibles à certains observateurs 3) mais on peut exprimer une action équivalente contenant uniquement un  terme de surface ! 4) on utilise un principe variationnel très différent de ce qu'on fait habituellement : on déplace infinitésimalement l'horizon 5) si ça vous rappelle vos cours de thermo c'est normal : ce qu'on fait c'est simplement calculer le changement d'entropie dû à un travail infinitésimal sur une membrane, les équations d'Einstein sont en fait équivalentes à TdS=dE+PdV !

Wow... Je suis très loin de comprendre tout ça, d'autant plus que l'article est très dense, mais j'encourage vivement sa lecture. L'idée qui est derrière tout ça est que les quantités qui apparaissent en relativité générale sont en fait des grandeurs "thermodynamiques", dont la relation aux variables de la gravité quantique seraient de même nature que la relation entre la  vitesse des particules d'un gaz et la température de ce gaz, autrement dit le lien entre la gravité quantique et la relativité générale serait du même ordre que celui qui unit physique statistique et thermodynamique. Ceci donne encore un peu plus de crédit à l'idée "d'atomes d'espace-temps", telle quelle peut apparaître par exemple en gravité quantique à boucles.

Bonne lecture !

PS : une très bonne référence à un niveau très abordable sur la cosmologie est Marc Lachièze-Rey, Initiation à la cosmologie, chez Dunod.

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"Popper avait tort"

22 Juillet 2005, 00:00am

Publié par Fabien Besnard

Une conférence internationale célébrant le centenaire des articles d’Einstein sur la relativité restreinte, l’effet photoélectrique et le mouvement brownien, s’est tenue cette semaine dans les locaux de l’Unesco à Paris.

Le début du 20e siècle a été marqué par trois révolutions en physique : la relativité restreinte, la relativité générale et la théorie quantique. Einstein a été directement à l’origine de deux d’entres elles, et a participé à la troisième en tant qu’acteur de tout premier plan non seulement par son hypothèse du photon, ou par la découverte de la condensation de Bose-Einstein, mais aussi par ses critiques et ses expériences de pensées (comme le fameux paradoxe EPR) qui ont permis à la théorie quantique de progresser.
Aujourd’hui la physique théorique est confrontée à un problème majeur, celui de réconcilier la théorie quantique des champs (issue de la convergence de la théorie classique des champs, de la mécanique quantique et de la relativité restreinte) et la relativité générale. La théorie la plus à la mode pour y parvenir est la théorie des cordes. Celle-ci suscite un débat passionné et passionnant portant sur les principes mêmes de la science. En voici un échantillon.

 

Thibault Damour a présenté pendant cette conférence un modèle cosmologique issu de la théorie des cordes dans lequel, si je me souviens bien, les constantes physiques varient pendant les premiers instants de l’univers avant de se fixer à leurs valeurs actuelles. Puis il a indiqué dans quelle mesure de futures expériences pourraient permettre de confirmer ce modèle. Carlo Rovelli a alors posé une question fort pertinente, qui à vrai dire me brûlait également les lèvres : est-ce qu’une expérience pourrait permettre d’invalider ce modèle, et si oui laquelle ? En effet, l'un des problèmes majeurs que rencontre la théorie des cordes est que trop de paramètres y sont ajustables, pour certains, cette théorie pourraient donc s'accomoder de n'importe quelle observation.

Or selon l’épistémologue Karl Popper, une théorie n’est scientifique que si elle est réfutable, c’est-à-dire si elle permet d’établir une prédiction sans ambiguïté qui, si elle ne se réalise pas, invalide la théorie. Si la théorie passe le test, on dit qu’elle est confirmée, mais cela ne signifie en aucun cas qu’elle est prouvée. De ce point de vue, on peut prouver qu’une théorie est fausse, mais jamais qu’une théorie est vraie. Donnons deux exemples très simples. L’énoncé « tous les corbeaux sont noirs » est un énoncé scientifique puisqu’il suffit d’exhiber un corbeau d’une autre couleur pour invalider cet énoncé. Jusqu’à présent (à ma connaissance), on n’a jamais observé que des corbeaux noirs, c’est donc un énoncé très bien vérifié expérimentalement. Au contraire, supposons pour les besoins du raisonnement qu’il soit prouvé que Dieu existe. Alors même dans ce cas, l’énoncé « Dieu est bon » ne serait pas scientifique, car même la plus abominable des catastrophes ne suffirait pas à l’invalider. En effet, les théologiens ont médité depuis des siècles sur l’existence du mal dans le monde et ils ont imaginé toutes sortes d’arguments, du plus simpliste (les voies du Seigneur sont impénétrables), au plus subtil (il existe une infinité de mondes possibles, tous sont pires, Dieu a choisi le meilleur des mondes possibles. Ainsi même de la catastrophe ou l’épidémie la plus horrible peut naître un bien si un futur dictateur est éliminé, qui aurait fait encore plus de morts s’il était arrivé au pouvoir…). La plupart des scientifiques et des philosophes rationalistes estiment que le critère de Popper est fondamental, même si certains le jugent incomplet ou que d’autres estiment qu’il ne s’applique pas universellement à toutes les sciences. Pour l’instant, la critique la plus virulente de Popper est venue de Paul Feyerabend, qui dans « Contre la méthode » a défendu une « théorie anarchiste de la connaissance », et un relativisme cognitif radical (tout se vaut, de la légende des titans à la physique atomique), qui de mon point de vue n’est qu’un ramassis de foutaises post-modernes. Il semble que l’auteur lui-même en ait convenu sur la fin de sa vie.

 

Mais revenons à la question de Rovelli. Quelle fut la réponse de Thibault Damour ? « Popper avait tort, il faut avoir une vision plus positive des choses.»

J’ajoute qu’il n’est pas le seul à penser de la sorte dans la communauté « cordiste ». Il semble donc qu’aujourd’hui un certain nombre de physiciens ne rechigneraient pas à échanger la méthode scientifique telle qu’on la pratique depuis Galilée contre une théorie qui n’a pour elle que sa beauté formelle pour qui veut bien la voir. C’est ce qui s’appelle lâcher la proie pour l’ombre.

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Transfert

16 Juillet 2005, 00:00am

Publié par Fabien Besnard

Bienvenue ! Je transfère sur ce site mon blog commencé sur mon site personnel, notamment pour simplifier la gestion des commentaires.

Je commence par copier-coller les articles précédents, du moins ceux postérieurs au référendum, pour retrouver l'intégralité des articles, cliquer ici.

Bonne lecture !

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Vulgarisation

16 Juillet 2005, 00:00am

Publié par Fabien Besnard

Du côté de l'Elysée ou de la rue de Solférino, il semble qu'on ait rien compris à ce qui s'est passé le 29 mai. Cela pourrait sûrement m'inspirer beaucoup de commentaires, mais pour l'instant ça m'inspire surtout du dépit. Je vais donc changer un peu de sujet. J’ai ajouté à ma rubrique « lecture » deux excellents livres : « The Road to Reality » de Roger Penrose, et « The Quantum Quark » d’Andrew Watson. Ces deux ouvrages sont de styles assez différents : le premier est l’œuvre d’un scientifique de grand renom, tandis que le second est l’œuvre d’un journaliste (disposant néanmoins d’une solide formation scientifique). Le premier n’hésite pas à plonger dans le formalisme mathématique, tout en l’introduisant de la façon la plus intuitive possible, tandis que le second arrive à s’en dispenser complètement tout en réussissant à faire passer des notions très techniques de physique des particules.
Il est malheureusement à craindre que ces livres demeurent tous deux confidentiels en France, pour la simple raison qu’ils sont écrits en anglais, et qu’il est fort peu probable qu’un éditeur prenne le risque de traduire un livre bourré d’équations ou un autre traitant d’un sujet aussi peu sexy que la chromodynamique quantique !

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Illetrisme scientifique

16 Juillet 2005, 00:00am

Publié par Fabien Besnard

Je suis allé voir la conférence « grand public » que donnait Alain Connes ce mercredi à la BNF, à propos d’Evariste Galois. L’article de la conférence est disponible sur sa page web. Ce qui est le plus frappant avec les conférences d’Alain Connes, c’est l’enthousiasme qu’il dégage. Il donne toujours envie d’aller plus loin, d’en savoir plus. En tout cas c’est l’impression qu’il laisse sur un public « éclairé » en mathématiques. Il est plus difficile de savoir ce que peuvent ressentir les auditeurs qui sont simplement cultivés, au sens où on l’entend habituellement, c’est-à-dire complètement ignares en sciences. La conférence de Connes illustrait parfaitement cette rupture entre deux types de cultures. Après un bref rappel historique, que chacun pouvait comprendre, Connes a enchaîné sur la lecture d’un texte de Galois sur la théorie des équations. Dès la première phrase une partie du public a sans doute été larguée. La phrase était à peu près celle-ci : « si on se donne une équation polynomiale sans racine multiple, il existe toujours une fonction des racines qui prend des valeurs distinctes pour chaque permutation des racines ». Il n’y a là pratiquement que des termes que tout lycéen devrait connaître. Bien sûr le médaillé Fields a expliqué plus en détails, en prenant un exemple, ce qui a sûrement permis à la plupart des « largués » de raccrocher les wagons. Mais tôt ou tard il devait se produire ce qui se produit nécessairement dans ce type de conférence : soit le conférencier se limite à des choses triviales, et ce n’est pas le genre de Connes, soit il largue la majeure partie du public. Je ne saurais dire à quel moment eût lieu cette « transition de phase », peut-être lorsque Connes a prononcé pour la première fois le mot « groupe » en présupposant que tout le monde savait de quoi il s’agissait. Bien sûr, sa tâche était d’autant plus difficile que le public qui assiste à ses conférences est très hétérogène : des mathématiciens professionnels, des amateurs, beaucoup d’étudiants qui viennent voir le maître. Il faut qu’il y en ait pour tous les goûts et le grand talent d’Alain Connes et de parvenir à donner à chacun un os à ronger. En tout cas à ceux qui dispose d’un bagage mathématique minimum. Y a-t-il donc une difficulté particulière, voire une impossibilité à parler de mathématiques dans un langage profane ? Peut on vulgariser les mathématiques ? On a tendance à considérer que la physique se vulgarise mieux, ou que les physiciens ont plus de talent ou peut-être plus de goût pour vulgariser leur discipline. C’est oublier un peu vite que la vulgarisation de la physique est souvent de qualité médiocre, ressasse toujours les mêmes sujets accrocheurs, et parfois de façon tellement imagée qu’elle en devient grossièrement fausse (je pense au big-bang par exemple). D’un autre côté, certains phénomènes de la vie quotidienne, dont l’explication physique devrait faire partie de la culture, ne sont presque jamais abordés. Combien de gens savent quelle est l’origine de la force que la chaise exerce sur celui qui est assis dessus et qui l’empêche de passer au travers ? Combien de gens savent qu’un kilo de plomb tombe, en l’absence de frottement, aussi vite qu’une tonne de plume ? Il existe à mon avis un seuil de connaissances scientifiques en dessous duquel nul ne devrait avoir le droit de se prétendre cultivé. Imagine-t-on un prix Nobel de littérature donner une conférence sur la lecture de Proust, et se voir obligé d’expliquer ce qu’est le subjonctif ? Malgré tout le mal que pourront se donner les scientifiques qui, comme Alain Connes, prennent le temps d’assurer leur mission de vulgarisation auprès du grand public, ils seront toujours gênés à un moment où à un autre par ce manque de culture minimale. Il y a une carence importante dans la transmission de la culture, je pense évidemment à l’enseignement, mais pas seulement. Peut-être qu’un premier pas vers une solution serait qu’on prenne conscience qu’il y a là quelque chose d’anormal, qu’il n’y a rien de particulièrement glorieux à être scientifiquement ignare. Il faudrait aussi que l’on cesse de prendre systématiquement les mathématiques comme exemple de sujet rébarbatif, que les éditeurs cessent de pousser des hauts cris dès qu’un auteur ose s’exprimer dans un langage précis, ou, crime des crimes, ose écrire une équation… Enfin, on peut toujours rêver, qu’en cette année de la physique on décrète la lutte contre l’illettrisme scientifique grande cause nationale !

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