dimanche 2 avril 2017

Quand le physicien trépigne, pleurniche et tape du pied...


- Nous sommes les comiques troupiers chargés de vous distraire pendant cet exposé à la c...

Une définition moderne et minimaliste de la physique

La physique peut se définir comme la science de la matière.

Pas besoin d'évoquer le mouvement, les forces, puisqu'à une bête constante près (le carré de la vitesse de la lumière), M = E, la masse est la même chose que l'énergie. La preuve, on utilise les mêmes unités.

Pas besoin non plus d'invoquer une "dynamique", des phénomènes qui se "produiraient" et qui auraient donc un début, une fin, une durée, car le temps est partie constituante de la matière, il n'existe pas de manière indépendante (d'ailleurs, il semble que la matière se transforme en temps et inversement dans certaines circonstances).

La physique une science. Elle procède donc par des hypothèses qui donnent lieu à des prédictions puis des vérifications expérimentales. Une théorie non vérifiée : exit.

Une théorie non vérifiable exit aussi - et c'est important. Pour avoir un ticket d'entrée dans la connaissance scientifique, il faut qu'il y ait une chance de vérification. Dieu ? Non vérifiable, donc exit. Le multivers ? Humm…

En quoi consistent ces théories vérifiables ? Ce sont des descriptions dynamiques du réel. Dynamiques parce que ce ne sont pas de simples photos : elles peuvent s'adapter à diverses situations grâce à l'outil descriptif qui est utilisé. Cet outil, c'est la mathématique.

On peut se poser la question de l'origine de la mathématique. Existe-t-elle dans la nature ou est-elle une invention de l'homme ? Est-ce que le dénombrement d'une collection d'objets n'existe que dans notre tête ? Est-ce que l'étrangeté des nombres premiers est une construction humaine, ou bien est-ce que les nombres ont par eux-mêmes ces caractéristiques qu'on leur a découvert ? Bien malin qui peut le dire.

Mais il n'est pas forcément nécessaire de répondre à ces questions pour utiliser la mathématique en physique. En revanche, la question du rapport entre mathématique et physique reste entière et doit être examinée.

- Là, l'autre naze, à tous les coups il va parler de trucs qu'il y a dans l'espace !
- Ben oui, il est totalement à côté de ses pompes !

Le rapport entre physique et mathématique

Ça fait toujours bien de citer Einstein… j'aimerais éviter, mais là, il est un peu incontournable. Il dit que ce qui est incompréhensible, c'est que le monde soit compréhensible.

Pas trop de doute sur ce à quoi il fait allusion : le langage mathématique par lequel s'exprimerait la Nature.

La physique pourrait n'être qu'une description verbale du monde, avec des systèmes et des théories, presque sans calcul, à la grecque. Cette physique ne serait pas très performante, mais elle pourrait faire des prédictions. Par exemple dire que le soleil va se lever demain, qu'une pierre qu'on lâche va tomber, ou que la lune sera ce soir dans son dernier quartier.

Ce qui étonne Einstein, c'est que la physique se marie si bien avec les mathématiques. Comment se fait-il que les formules mathématiques collent à ce point à la description du monde. Quel est par exemple le rapport entre U = RI et le phénomène électrique dont parle cette équation. Une bête multiplication. Comment faire plus simple !

Mais la vraie question, c'est : pourquoi est-ce qu'en utilisant le langage mathématique on peut aller plus loin ? On fabrique une formule en mettant dedans une force, une accélération, une pincée de sel, une cuillerée à café de sucre-glace, une constante, on secoue bien fort, on utilise des règles mathématiques (par exemple : si on ajoute la même chose aux deux membres d'une équation, cette équation est toujours valable), et miracle, au bout du compte - alors qu'on est passé par des règles abstraites - on retombe sur nos pieds, on aboutit à une nouvelle formule qui représente une autre facette de la réalité, un truc concret, la description d'un autre phénomène. Magique, non ?


 - Nous, on est des monstres. Alors la magie, on en fait tous les jours.
- Dans nos culottes !

 

Une théorie du tout, pour quoi faire ?

Je suis en train de lire un livre qui date déjà un peu puisqu'il a été publié en 2007. L'auteur tente d'avoir une position équilibrée sur la théorie des cordes. En deux mots, il dit que c'est une théorie toute pourrie, qu'elle n'a pas du tout rempli ses promesses, qu'elle n'a pas été vérifiée, qu'elle a fait travailler l'élite des mille meilleurs physiciens du monde pendant trente ans sans aboutir à un résultat (à part des sous-produits, comme le développement de certaines branches de la mathématique). Et aussi qu'elle a abouti à une stérilisation de la recherche en physique car il était impossible de faire carrière sans être un homme sinon de sac du moins de cordes.

L'auteur, c'est Lee Smolin, et ce n'est pas une crêpe. Il est co-inventeur de la théorie de la gravité quantique à boucles, petite rivale de la théorie des cordes.

La théorie des cordes a pour projet d'unifier la physique : unifier les forces, les particules, les explications, dans une théorie du tout. Mais pour quoi faire ? Est-ce vraiment nécessaire ?

Si on s'occupe de viscosité, on utilise la loi de Poiseuille, et si on s'occupe de thermodynamique, on utilise les lois relatives à l'entropie. Alors quel est le problème ? Pourquoi vouloir unifier à tout prix ? Pour faire zoli ?

Les premiers chapitres du bouquin de Smolin illustrent bien comment les unifications sont la base du progrès en physique. Galilée a unifié le mouvement et l'immobilité, Newton a unifié la chute des pommes et la rotation de la terre autour du soleil, Einstein a unifié le temps et l'espace, la masse et l'énergie. Déjà, ça fait envie. Mais les physiciens d'aujourd'hui ont un problème précis sur lequel ils se cassent les dents, et c'est leur boulot d'essayer de le résoudre : ils sont donc obligés d'unifier.

La première partie du problème, c'est qu'on a une théorie avec des formules mathématiques qui fonctionnent bien pour décrire la gravitation, et qui ont abouti à décrire le réel d'une certaine manière. C'est la relativité généralisée, impliquant la fusion du temps avec les autres dimensions, et surtout, l'absence de "fond" pour décrire l'univers, l'univers étant lui-même son propre fond, un fond plutôt caoutchouteux dont les torsions se traduisent par l'émission d'ondes gravitationnelles.

La seconde partie du problème, c'est qu'on a aussi des formules mathématiques superbes pour décrire d'autres phénomènes physiques - on est là plutôt dans la granularité la plus fine de la matière, avec son zoo de particules de tous genres, bosons et fermions réunis : c'est le "modèle standard".

On vivrait bien avec toutes ces formules pour décrire ce qui doit être décrit là où cela doit être décrit. Là ou ça coince, c'est qu'il y a des endroits dans l'univers où les deux types de phénomènes (gravitation d'un côté, et grains très fins de l'autre) vont être observés en même temps sur les mêmes objets à la même échelle.

- Moi je suis Bohr et je t'emmerde !
- Et moi je suis Einstein et je te pisse à la raie !


 

Parenthèse en forme d'échelles

Je fais une parenthèse sur cette idée d'échelle. Oui, parce qu'il y a un truc très logique et pourtant très intrigant en physique, c'est que la taille compte. Quand j'étais petit et que je regardais les poussières éclairées par le soleil qui traversait les rideaux de ma chambre à coucher, je m'imaginais que chacune des poussières pouvait bien être un monde, avec des habitants microscopiques, des chats microscopiques courant derrière des souris microscopiques. J'avais tort.

Car le grand n'est pas une sorte de multiplication du petit. L'atome avec son noyau et ses électrons est tout sauf une réplique miniature d'un système solaire. La nature est intrinsèquement différente suivant l'échelle à laquelle on l'examine. Ce n'est pas un ensemble de Mandelbrot. Le monde n'est pas proportionnel, et il ne suffit pas de faire des règles de trois en fonction de la taille pour décrire le plus grand et le plus petit.

C'est d'ailleurs décevant. Quand j'ai eu ma première matriochka dans les mains, j'ai été triste de constater que malgré la ressemblance de la plus grande des poupées avec celle qu'elle contenait, elles n'étaient pas parfaitement semblables. Et quand je la comparais avec la plus petite, la différence était horriblement flagrante. Mais je m'en suis remis…

Bref, ce n'est pas étonnant qu'on soit obligé d'utiliser des outils mathématiques différents pour décrire le fonctionnement de la matière suivant l'échelle à laquelle on l'examine. Mais...

 - Je suis payée à l'heure. Et toi ?
- Moi je me suis fait avoir. Je suis payé en nature.

C'est là où le physicien tape du pied…

Mais quand on veut utiliser les lois de la gravitation à l'échelle des particules élémentaires, on tombe sur un bec. Impossible de faire entrer dans une seule formule les méthodes probabilistes des particules avec la description d'un univers sans fond où chaque objet porte son temps propre. Ça coince. Les formules, ce sont des équations, et l'intérêt d'une équation, c'est qu'elle a des solutions. Or, ici, les solutions sont des infinis. Donc elles ne décrivent rien du tout.

Résultat, on ne réussit pas à concevoir certains phénomènes (qu'on appelle des singularités - on trouve ces singularités dans les trous noirs et au début de l'univers, avant l'expansion accélérée). Ce n'est pas un caprice de physicien qui tape du pied et pleurniche parce qu'il doit utiliser plusieurs formules. Non, il est dans la m… parce qu'il n'a aucune équation qui marche, il ne peut pas prédire ce qui se passe et donc il est bloqué. Impossible de décrire la nature à cet endroit.

Dans son livre, Smolin liste les cinq problèmes qu'une théorie du tout comme la théorie des cordes doit remplir selon lui. Il apparaît que la théorie des cordes fournit des réponses dans deux cas sur cinq. Il s'agit alors d'hypothèses théoriques qui "fonctionnent" mathématiquement. Mais sans qu'il n'y ait jamais prédiction ou validation expérimentale.

En fait, il y a des milliers de théories des cordes. C'est encore plus la zone : l'une peut résoudre un problème, mais pas l'autre. J'aimerais maintenant lire un livre avocat de la théorie des cordes. Mais je ne vois pas trop ce qu'il pourrait dire. Pour l'instant, cette théorie, il ne lui reste plus qu'à… trouver une corde pour se pendre. Malheureusement, les cordes, elle n'en démontre absolument pas l'existence.

 - Ah l'autre ringard ! Avec ses plaisanteries sur les cordes qui pèsent cent tonnes !

Éloge de la brouette

Si tu veux bien, je voudrais maintenant revenir sur notre U = RI. Oui, cette formule mathématique permet de prédire des évènements. Mais elle n'explique pas vraiment. Ainsi, on est incapable de faire la relation entre U = RI et ce qui se passe au niveau de l'électromagnétisme quantique.

J'ai eu un prof de physique qui disait des maths que c'était une brouette. Je percevais bien que les maths, c'était utile. Mais il m'a fallu du temps pour comprendre que cette brouette était unique, et qu'elle seule pouvait porter plus loin les concepts de la physique grâce à son formalisme. Sans elle, la physique n'aurait PAS pu sortir de la simple observation de la nature, elle était carrément plantée, elle n'avait aucun moyen de se déplacer. Alors c'est vrai que la capacité de la mathématique à faire avancer la physique est étonnante. Il y a là, entre les deux, un truc subtil, sur lequel il faut sans doute réfléchir. A la suite du bon Albert !

Mais pas de quoi devenir mystique. Après tout, U = RI, il y a des chances pour que ce soit une approximation (et ça, ça me fout le vertige). Car contrairement à ce que disent ceux qui ignorent le fonctionnement des sciences, la physique n'ambitionne pas de trouver la vérité sur la nature, elle cherche seulement à en faire une description la moins fausse possible.

- Et comment on se barre d'ici, maintenant ?
- Y a une bouche de ventilation juste au dessus. Mais faudrait une corde. Tu crois qu'on peut lui demander ?