» Sept brèves leçons de physique  » , par Carlo Rovelli

Carlo Rovelli, physicien et historien des sciences, spécialiste de la théorie  de la « gravité quantique à boucles », dont l’un des objectifs est de dépasser les actuelles incompatibilités entre la relativité générale et la physique quantique, dirige au Centre de physique théorique de Marseille-Luminy un groupe de recherche en gravité quantique. Il est par ailleurs un de nos meilleurs vulgarisateurs, auteur, notamment, de Par-delà le visible (Odile Jacob) . Ces sept « brèves leçons de physique », destinées, écrit l’auteur dans son préambule, « à ceux qui ne connaissent rien ou pas grand-chose à la physique », sont, plutôt que des leçons, de brèves conférences qui esquissent le tableau de la révolution de la physique au XXe siècle, révolution essentiellement initiée par la théorie de la relativité et la théorie des quanta, auxquelles Carlo Rovelli consacre ses deux premières « leçons ». Mais ce petit ouvrage vaut, autant que par les réponses qu’il donne, par les questions qu’il pose, et qui sont loin d’être toutes résolues. Parmi ces questions, deux qui préoccupent depuis fort longtemps philosophes et savants : qu’est-ce que l’espace ? qu’est-ce que le temps ?

L’intuition joue, dans la recherche scientifique, un rôle majeur qui n’a peut-être pas encore été étudié par les historiens des sciences de manière suffisamment systématique et approfondie. Mais les étudiants et les simples profanes en font aussi leur profit. Etudiant à l’université de Bologne, Carlo Rovelli eut, sur une colline d’Ombrie, l’intuition de la vérité de la théorie einsteinienne :  » De temps en temps, je levais les yeux du livre pour regarder la mer scintiller : j’avais l’impression de voir la courbure de l’espace et celle du temps imaginées par Einstein. C’était magique : comme si un ami me murmurait à l’oreille une extraordinaire vérité cachée et enlevait d’un coup un voile à la réalité pour en révéler un ordre plus simple et plus profond.  » Tel est bien le but de la recherche scientifique : enlever un des voiles qui nous dissimulent le réel ; pour découvrir cependant que, derrière le voile qui vient d’être ôté se cachaient d’autres voiles…

Au coeur de la théorie de la relativité d’Einstein : la question de l’espace. Dans l’Univers tel qu’il est théorisé par Newton, la force de gravité s’exerce dans un espace tridimensionnel rigide, continu, infini ; Rovelli le décrit comme « un immense conteneur vide, une grosse caisse de rangement universelle, un immense rayonnage au sein duquel les objets courent tout droit jusqu’à ce qu’une force les fasse dévier ». Mis sur la voie par  la notion de champ électromagnétique décrit par les équations de Faraday et de Maxwell, Einstein en vient à concevoir l’espace comme un champ gravitationnel qui ne fait qu’un avec la matière :  » une entité qui ondule, s’infléchit, se courbe et se tord. Nous ne sommes pas contenus dans un invisible rayonnage rigide : nous sommes immergés dans un immense mollusque flexible « , écrit Carlo Rovelli; une des séductions de ses présentations tient à la justesse et à la valeur expressive des images qu’il propose.  » La prédiction centrale de la théorie des boucles « , explique Rovelli dans un chapitre ultérieur intitulé Grains d’espace,  » est donc que l’espace physique n’est pas continu, il n’est pas divisible à l’infini, il est formé de grains, d’ « atomes d’espace « . Ces grains sont très petits : un milliard de milliard de fois plus petits que le plus petit des noyaux atomiques. […] Où se trouvent ces quanta d’espace ? Nulle part. ils ne sont pas dans l’espace, puisqu’ils constituent eux-mêmes l’espace. l’espace est créé par l’interaction mutuelle des quanta de gravité individuels. Encore une fois, le monde semble être en relation avant d’être un ensemble d’objets.  »

En relativité générale, le temps se courbe lui aussi ; le rythme de son écoulement dépend de la plus ou moins grande proximité des corps massifs : plus rapide loin d’eux, il ralentit à leur approche. Dans la théorie quantique des boucles,  » de même que disparaît l’idée de l’espace continu qui contient les choses, de même disparaît l’idée d’un « temps » continu élémentaire et primitif qui s’écoule indépendamment des choses « .

Rovelli évoque les conséquences de la relativité générale : les trous noirs, l’expansion de l’Univers, les ondes gravitationnelles. Il omet de rappeler qu’Einstein lui-même n’adhéra pas sans réticence à certaines des prédictions tirées par d’autres de sa théorie. Si l’existence des ondes gravitationnelles semble acquise. leur détection observationnelle ou expérimentale, semble plus problématique et compliquée que ce qu’en dit l’auteur, de façon un peu trop expéditive. C’est une des faiblesses de ce petit livre, par ailleurs fort éclairant, que de simplifier parfois à l’excès ou de passer trop vite.

Avec son hypothèse du quantum de lumière (le photon), Einstein est le père de la théorie des quanta. Mais, comme pour certaines des conséquences de la relativité générale (les trous noirs, l’expansion de l’Univers), il aura le plus grand mal à admettre certains des développements que lui donneront les grands noms de la mécanique quantique, un Niels Bohr, un Werner Heisenberg. Carlo Rovelli expose avec clarté les bouleversements révolutionnaires que la nouvelle théorie introduit dans l’idée que nous nous faisons du réel : « les électrons, écrit-il, n’existent pas tout le temps, mais seulement lorsque quelqu’un les regarde ou, mieux, lorsqu’ils interagissent avec quelque chose d’autre. Ils  se matérialisent dans un lieu lorsqu’ils heurtent quelque chose. Les sauts quantiques d’une orbite à une autre sont leur seule façon d’être réels : un électron est l’ensemble des sauts d’une interaction à une autre. Lorsque personne ne le dérange, l’électron n’est en aucun lieu précis. Il est nulle part. »

Cette notion d’interaction occupe dans le livre de Carlo Rovelli une place centrale. Notre connaissance du réel n’est possible que dans la mesure où nous interagissons avec lui. Nous-mêmes n’existons, ne sentons et ne pensons que parce que nous sommes le lieu d’innombrables interactions.

Dans le second chapitre encore, consacré aux quanta, l’auteur me semble aller parfois un peu vite. Rien n’est dit, par exemple, du fameux principe d’incertitude de Heisenberg, qui nous fait comprendre que nous ne pouvons avoir qu’une connaissance fragmentaire du réel. Nous  n’avons pas sur lui le point de vue de Dieu ; c’est que nous ne voyons pas le réel du  dehors ; nous sommes dedans ; nos interactions avec lui nous permettent de le connaître mais, en même temps, elles orientent notre connaissance et lui fixent des limites.

Dans le cadre de la mécanique quantique, cette connaissance est statistique ; c’est l’autre innovation révolutionnaire introduite par elle :  » ces sauts par lesquels chaque objet passe d’une interaction à une autre ne se produisent pas de manière prévisible, mais au hasard. Il n’est pas possible de prévoir l’endroit où un électron réapparaîtra. Il est seulement possible de calculer la probabilité qu’il apparaisse ici ou là. La probabilité intervient au coeur de la physique, là où tout semblait réglé par des lois univoques et inéluctables ».

Cette notion de probabilité va, elle aussi, tenir une grande place dans la suite du livre, notamment dans un chapitre qui m’a particulièrement retenu, intitulé La probabilité, le temps et la chaleur des trous noirs. A quoi il faudrait ajouter, bien entendu, la notion d’interaction.

Depuis les travaux de Maxwell et de Boltzman, on sait que la chaleur est l’expression directe de l’agitation des atomes et des molécules. Plus cette agitation est grande, intense, rapide, plus il y  a de chaleur ; moins elle est grande, plus la chaleur diminue, au point que le zéro absolu correspond à l’immobilité absolue des atomes. On sait par ailleurs que la chaleur est « attirée » par le froid, et non l’inverse ; c’est vrai aussi bien des variations météorologiques que du corps humain : dans un environnement froid, nous perdons de la chaleur, qui se dissipe dans cet environnement. L’existence d’un différentiel chaleur / froid a un rapport direct avec la différence entre le passé et le futur : pour que le futur soit différent du passé, il faut que les échanges entre zones chaudes et zones froides soient suffisants :  » La différence entre passé et futur, écrit Rovelli, n’existe que lorsqu’il y a de la chaleur. Le phénomène fondamental qui distingue le futur du passé est donc le fait que la chaleur va des objets les plus chauds vers les plus froids. Mais pourquoi la chaleur va-t-elle des objets chauds vers les objets froids, et non l’inverse ? »

L’explication n’est pas à chercher dans une loi inexorable de la nature mais dans une réalité statistique : il est beaucoup plus probable que des objets plus chauds, s’agitant davantage et plus vite, iront heurter des objets froids et leur céderont une partie de leur énergie, que l’inverse.

Notre tenace expérience de l’écoulement du temps est sans doute à mettre en relation avec le lien étroit entre temps et chaleur, le passé et le futur se différenciant quand il y a un flux de chaleur. mais « pour une hypothétique vue très fine qui verrait tout, écrit Rovelli, il n’y aurait pas de temps qui s’écoule et l’Univers serait un bloc de passé, de présent et de futur. Mais cette vue très fine qui verrait tout est elle-même interdite, comme nous l’a appris la mécanique quantique, parce que ce n’est que dans les interactions que les choses se manifestent. Nous, êtres conscients, habitons le temps parce que nous voyons seulement une image affadie du monde. » De ce « pullulement dense de processus élémentaires » qui sont le réel, nous n’avons qu’une vision floue qui nous donne l’illusion d’un espace et d’un temps continus.

Il y aurait, bien sûr, beaucoup à dire sur cette question de l’existence du temps. Pour ma part, je crois que le passé n’existe pas (ou plus), sinon à l’état de traces mémorielles dans nos circuits neuronaux, émergeant à nos consciences d’une façon qui ne peut être décrite que dans une perspective probabiliste qui permet aussi de nous faire une idée du « futur », et que seul existe réellement, non pas un présent, mais une co-présence d’interactions sans cesse renouvelées, d’événements laissant sans cesse la place à d’autres. Nous n’habitons pas le temps; nous habitons le mouvement, et  l’espace-temps d’Einstein, qu’est-ce d’autre que l’espace-mouvement ?

Le dernier chapitre, intitulé Nous, est sans doute le plus dense et le plus riche de l’ouvrage. Carlo Revelli s’y interroge sur la nature et les conditions de notre effort de connaissance du monde qui nous entoure, mais aussi sur notre place dans la nature, sur la question de la liberté, sur la nature de ce que nous appelons le moi, sur celle de la conscience, sur le devenir de notre espèce. Un beau feu d’artifice, mais cohérent et stimulant, en guise de conclusion d’un petit livre éclairant.

Carlo Rovelli ,  Sept brèves leçons de physique    ( Odile Jacob )

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