La ré-ouverture des librairies est prévue alors profitez-en pour acquérir L'écumeécume de l'espace-temps, de Jean-Pierre LuminetJean-Pierre Luminet, paru en octobre 2020 aux éditions Odile Jacob. Comme l'explique la vidéo ci-dessous, « le livre traite de la gravitation quantique et de ses différentes approches pour tenter de résoudre un certain nombre de difficultés de la physique actuelle : unifier la relativité générale et la mécanique quantique, éliminer les singularités gravitationnelles, comprendre la nature de la matière noirematière noire et l'énergie sombre, le paradoxe de l'information lié aux trous noirstrous noirs, le rôle du vide quantique, le multivers, l'avant Big BangBig Bang, etc.

Les sept approches discutées sont la gravitégravité quantique à boucles, la théorie des cordesthéorie des cordes, la géométrie non-commutative, les ensembles causaux, la gravité à sécurité asymptotique, les triangulationstriangulations dynamiques causales et la gravité émergente. À part les deux premières, aucune n'avait jusqu'à présent fait l'objet d'une divulgation pour le grand public ».

On doit l'ouvrage à une personnalité bien connue des passionnés de la physique des trous noirs et des universunivers chiffonnés qu'ils vont tout de suite reconnaître alors qu'il le présente lui-même. Pour ceux qui ont le temps et la volonté d'en savoir plus après cette vidéo, voici de quoi mettre l'ouvrage un peu en perspective et même d'en découvrir certaines parties en attendant la levée partielle du second confinement de l'année 2020.

La couverture de l'ouvrage publié chez Odile Jacob. © Odile Jacob

La philosophie naturelle, une clé fondamentale de la philosophie

Pourquoi y-a-t-il quelque chose plutôt que rien ? Quelle est la place de l'Homme dans la nature ? Ces questions sont philosophiques et elles étaient l'objet des réflexions des penseurs grecs, qu'ils soient présocratiques ou non, mais également et peut-être même surtout des rishis védiques de l'Inde à qui l'on doit les Upanishads. Toutefois, les Grecs semblent avoir été les premiers à comprendre qu'il fallait, pour espérer résoudre ces questions, combiner la vision intuitive à priori de l'esprit humain, stimulée et inspirée par l'expérience poétique des phénomènes naturels, avec le mysticisme et les exigences de la pensée rationnelle et mathématique, tout aussi à priori, cherchant une partie des réponses via la partie de la philosophie que l'on appelait encore du temps de NewtonNewton la philosophie naturelle.

L'acmé de cette conception peut sans aucun doute être trouvée dans les dialogues de Platon, la République et le Timée en particulier, et son importance est telle que, comme le disait déjà le philosophe et mathématicienmathématicien Alfred North Whitehead dans son célèbre ouvrage Process and Reality, « la caractérisation générale la plus sûre de la tradition philosophique européenne est qu'elle consiste en une série de notes de bas de page à Platon ».

C'est encore particulièrement explicite dans les œuvres et les textes des fondateurs de la physique moderne -- d'Einstein à Oppenheimer en passant par Heisenberg (My mind was formed by studying philosophy, Plato and that sort of thing), Pauli et Schrödinger -- qui, sans aucun doute également, ont produit la physique moderne comme un écho à ce que disait déjà Archytas de Tarente, le grand mathématicien, astronomeastronome, ingénieur et philosophe pythagoricien ami de Platon : « On peut dire que la philosophie est le désir de savoir et de comprendre les choses elles-mêmes, uni à la vertu pratique, inspiré par l'amour de la science et réalisé par elle. Le commencement de la philosophie est la science de la nature ; le milieu, la vie pratique ; le terme, la science même ».

Le prix Nobel de physique Wolfang Pauli (1900–1958) dans les années 1930. On lui doit de nombreuses contributions à la théorie quantique des champs et à la physique des particules, neutrinos, théorème CPT, théorie du spin des électrons, sans parler des théories qu'il avait anticipées (théories de jauge et de Kaluza-Klein) mais dont il ne parlait que dans ses correspondances avec ses collègues. Tout comme Einstein, Heisenberg et Schrödinger, sa pensée et son travail étaient en connexion étroite avec les œuvres de plusieurs philosophes et relevait, comme le disait à son sujet Heisenberg, d'une sorte de mysticisme rationnel. On peut s'en convaincre avec cette déclaration : « Je prône un droit illimité de la raison à contrôler les systèmes de pensée ; cependant, je fais allusion à un mode de connaissance extra-rationnel, qui s'acquiert avec des ressources différentes de la raison. Je pense que ce mode de connaissance extra-rationnel est primordial et essentiel. Il n'y a pas que la pensée, il y a aussi l'instinct, l'émotion, l'intuition, etc., et ces fonctions psychologiques supplémentaires me paraissent de la plus haute importance partout où la plénitude des êtres humains est appréhendée » ; déclaration que complète celle-ci : « J'espère que personne ne soutient encore que les théories sont déduites par des raisonnements logiques stricts tirés de carnets d’expériences en laboratoire, une vision qui était encore tout à fait à la mode à l'époque où j’étais étudiant. Les théories sont construites via une compréhension inspirée par le matériel empirique, compréhension qui est mieux réalisée, en accord avec les conceptions de Platon, comme une correspondance émergente entre des images internes et le comportement des objets externes. Cette possibilité de comprendre démontre à nouveau la présence de dispositions typiques régulant à la fois les conditions intérieures et extérieures des êtres humains ». © Cern

Toutes ces considérations n'ont pour but que d'aider à faire comprendre pourquoi la quête d'une théorie quantique de la gravitation et d'une synthèse des lois de la physique, qui devrait culminer avec une unification de nos théories de la matière, de l'espace-temps et des forces, fascine les physiciensphysiciens car, comme le disait le physicien Peter Bergmann, collaborateur d'Albert EinsteinEinstein et pionnier d'une théorie quantique de la gravitation : « Sous bien des aspects, le physicien théoricien n'est qu'un philosophe en habit d'ouvrier ».

Philosophie et physique se recontrent à l'échelle de Planck

Toute l'évolution de l'Univers est gouvernée « ultimement » par une théorie quantique de la gravitation unifiant toutes les forces et les particules de matière connues. Une telle théorie devrait permettre, ou pour le moins on l'espère, de comprendre la phase très primitive du cosmoscosmos primordial et sa structure générale, de sorte qu'il serait sans doute possible de déterminer si l'apparition de la vie et de la conscience ne sont que des épiphénomènes produits d'un multivers totalement aléatoire, jouant sans but ni finalité avec les formes de l'espace-temps et la matière qu'il contient de toute éternité ou si une hypothèse contraire doit être considérée et étudiée comme l'ont proposé certains physiciens favorables à la thèse du principe anthropique fort -- pour les curieux lisant l'anglais, il existe un remarquable ouvrage traitant du principe anthropique : The anthropic cosmological principle, de John Barrow et Franck Tipler.

Le cosmologiste Andrei Linde a même spéculé sur une éventuelle unification non seulement de la matière avec l'espace-temps de la gravitation quantique mais aussi une unification ultime avec une physique de l'esprit encore à découvrir (voir à la fin de son livre Particle Physics and Inflationary Cosmology p. 230-232 ). Il est intéressant de rapprocher les idées de Linde à ce sujet avec les spéculations du prix Nobel de physique Roger Penrose en ce qui concerne une théorie de la conscience, cette dernière faisant intervenir des effets de gravitation quantique au niveau notamment de ce que les physiciens appellent la structure en écume de l'espace-temps depuis le célèbre physicien John Wheeler. On sait que Pauli était lui aussi intensément préoccupé par une théorie unifiant l'esprit et la matière.

En arrière fond, en haut à gauche, une des théories unitaires proposées par Albert Einstein avec un espace-temps utilisant des nombres complexes comme le fait la physique quantique. On sait que son avis sur la nature de la créativité, concernant la physique théorique et son importance philosophique, était très proche de celui de Pauli comme le prouvent les citations suivantes : « La tâche suprême du physicien est d'arriver à ces lois élémentaires universelles à partir desquelles le cosmos peut être construit par pure déduction. Il n'y a pas de chemin logique vers ces lois ; seule l'intuition, reposant sur une compréhension sympathique de l'expérience, peut les atteindre » et « Une idée en physique théorique… ne surgit pas en dehors et indépendamment de l'expérience ; elle ne peut pas non plus être dérivée de l'expérience par une procédure purement logique. Elle est produite par un acte créatif. Une fois qu'une idée théorique a été acquise, on fait bien de s'y accrocher jusqu'à ce qu'elle aboutisse à une conclusion intenable ». © 2015 American Institute of Physics

En tout cas, Penrose a démontré au milieu des années 1960 -- sous certaines conditions très raisonnables et, en fait, qui semblent inévitables en pratique -- qu'une étoileétoile ayant épuisé son carburant nucléaire et qui est assez massive doit s'effondrer en donnant un trou noir ; il a aussi démontré que, dans le cadre des équationséquations de la théorie de la relativité générale, une singularité de l'espace-temps doit se produire à l'intérieur de ce trou noir, singularité où la courbure de l'espace et la densité de la matière doivent devenir infinies et ne plus permettre aucune prédiction quant à l'état final de l'effondrementeffondrement de l'espace-temps-matière de la relativité générale.

Plus tard, Penrose va faire équipe avec Stephen HawkingStephen Hawking pour démontrer qu'une singularité de l'espace-temps doit aussi être présente dans la théorie d'Einstein quand on l'applique pour construire le modèle cosmologique du Big Bang qu'elle implique. Ce n'est en fait pas très étonnant. La géométrie de l'espace-temps à l'intérieur d'une étoile qui s'effondre gravitationnellement est très similaire à celle de l'espace-temps dans un modèle de type Big Bang en inversant le sens du cours du temps, l'effondrement devenant expansion à partir d'une singularité initiale. Mais c'est un désastre parce que cela veut dire que nous ne pouvons pas comprendre vraiment ce qui détermine la naissance du cosmos observable et donc pourquoi il possède les caractéristiques que l'on constate concernant sa structure et son évolution.

Or, dans les deux cas, Big Bang et trou noir, on se retrouve avec un espace-temps plus petit qu'un atomeatome au voisinage de la singularité, ce qui veut dire que l'on doit appliquer la théorie des objets physiques de l'échelle d'un atome et donc la théorie quantique. Comme l'a expliqué John Wheeler, une combinaison de la théorie quantique avec la théorie de la relativité générale devrait conduire à une cosmologiecosmologie quantique ; elle implique aussi qu'à très courtes échelles de temps et d'espace, celles dites de PlanckPlanck, si l'on compare comme il est d'usage le comportement de l'espace-temps à celui d'un fluide, celui-ci devient très turbulent avec l'équivalent des bulles et des moussesmousses qui se forment avec l'écume des vaguesvagues.

Les sept piliers de la sagesse quantique

Malheureusement, la quête d'une théorie quantique de la gravitation s'est trouvée être plus difficile qu'on ne l'imaginait. Plusieurs théories ont été proposées dans ce but et les plus médiatiques sont celles de la théorie des supercordesthéorie des supercordes et celles de la gravitation quantique à bouclesgravitation quantique à boucles. Mais il en existe d'autres comme celle basée sur la géométrie non-commutative du lauréat de la Médaille Fields, le Français Alain Connes ou encore celle des triangulations dynamiques causales. Ces théories unifiées et de gravitation quantiques font parfois des prédictions susceptibles de résoudre les mystères associés en physique à l'existence postulée de la matière et de l'énergie noireénergie noire. Elles peuvent avoir des implications sur le concept de multivers et donc, comme on l'a déjà fait remarqué, sur les questions liées au principe anthropique et donc à la place de l'Homme, et plus prosaïquement du vivant, dans les arcanes de l'évolution cosmique.

Jean-Pierre Luminet est bien connu des lecteurs de Futura, notamment par les interviews qu'il nous a accordées et le blogblog de Futura qu'il tient, sans oublier ses nombreux ouvrages de vulgarisation sur la physique des trous noirs, l'histoire des sciences portant sur l'invention du Big Bang ou la place de l’infini en physique et cosmologie ; Jean-Pierre Luminet est tout aussi connu pour ses travaux de pionnier sur l'astrophysiqueastrophysique des trous noirs, de la première image de leur aspect calculée sur ordinateurordinateur à l'occurrence des crêpes stellaires et qui ont donné lieu à des observations couronnées de succès, comme le prouve celui de la collaboration Event Horizon Telescope.

Tout comme Einstein ou Heisenberg, Jean-Pierre Luminet est également musicien, ce qui ne peut surprendre quand on sait qu'il y a plus de 2000 ans, Archytas disait déjà qu'astronomie, mathématique et musique étaient des disciplines sœurs. Tout comme Einstein, Heisenberg, Schrödinger et Pauli également, ses travaux ne sont pas sans interactions avec la littérature, la philosophie et plus généralement l'art.

Son dernier ouvrage paru chez Odile Jacob en porteporte les marques et, tout en explorant la quête du monde de la gravitation quantique et de l'unification de la physique dans ses aspects pas forcément connus du grand public, c'est aussi un vibrant plaidoyer pour une conception et une pratique de la science qui a fait ses preuves de Kepler à Penrose, bien éloignées des descriptions arides d'une certaine philosophie positiviste ou des bouffonneries indigentes d'un Heidegger qui prétendait que la science ne pensait pas alors que lui-même en était incapable ; pour preuve et sans équivoque, le fait qu'il était toujours membre, en avril 1942, de la Commission pour la philosophie du droit, une instance nazie, comme l'a montré il y a quelques années la philosophe Sidonie Kellerer.

Il y a quelques mois, Jean-Pierre Luminet avait lu quelques extraits de son ouvrage sur YouTubeYouTube en attendant sa parution différée. Le livre est finalement sorti mais, en attendant la réouverture des librairies, vous pouvez déjà patienter et vous faire une idée de son contenu en visionnant certaines de ces vidéos. En voici deux choisies par Futura.

La première introduite aux travaux issus des années 1950-1960 relevant initialement de ce que l'on appelle l'approche canonique de la gravitation quantique et qui a conduit à la gravitation quantique à boucles, puis à la cosmologie quantique à boucles qui permet d'éliminer la singularité cosmologique initiale du Big Bang et même d'imaginer un avant Big Bang.

De la gravitation quantique à boucles à la géométrie non-commutative

La théorie de la gravitation quantique à boucles suggère que l'espace-temps pourrait être discontinu, qu'est-ce que cela pourrait changer à nos idées sur l'unification de la physique ?

Dans le dernier appendice de son célèbre ouvrage The meaning of relativity, Albert Einstein exposait les résultats de sa quête obstinée d'une unification des lois de la physique à partir d'une généralisation des équations de la relativité générale. Matière et champs de forces devaient être la manifestation d'une nouvelle géométrie de l'espace-temps courbe. Il caressait l'espoir de pouvoir également en dériver une version plus profonde de la mécanique quantique, complètement déterministe et basée sur un champ continu.

Lucide, le génial père de la théorie de la relativité générale n'en terminait pas moins pour autant son appendice par cette déclaration : « On peut donner de bonnes raisons pour expliquer pourquoi la réalité ne peut pas du tout être représentée par un champ continu. Il semble résulter avec certitude des phénomènes quantiques qu'un système fini d'énergie finie peut complètement être décrit par une série finie de nombres (nombres quantiquesnombres quantiques). Ceci ne paraît pas être en accord avec une théorie du continu et doit conduire à un essai en vue de trouver une théorie purement algébrique pour la description de la réalité. Mais personne ne sait comment obtenir la base d'une telle théorie. »

Ces mots datent de 1954 et ils apparaissent comme prophétiques et comme un nouveau tribut au génie d'Einstein lorsque l'on prend connaissance des travaux du mathématicien Alain Connes concernant les applicationsapplications possibles de sa théorie de la géométrie non-commutative aux problèmes de l'unification des lois de la physique.

Futura avait consacré plusieurs articles à cette géométrie et, dans son ouvrage, Jean-Pierre Luminet traite lui aussi des théories d'Alain Connes. En voici ci-dessus des extraits dans une seconde vidéo.

La saga de la quête de la gravitation quantique est loin d'être terminée et aujourd'hui, nous avons encore moins de raisons d'être en désaccord avec l'esprit de ce que disait déjà le grand mathématicien Hermann WeylHermann Weyl en conclusion de son célèbre cours sur la théorie de la relativité, juste avant le début des années 1920 :

« Celui qui mesure le chemin parcouru, depuis la métrique euclidienne jusqu'au champ métrique variable dépendant de la matière et renfermant les manifestations de la gravitation et de l'électromagnétismeélectromagnétisme, celui qui cherche à embrasser d'un coup d'œilœil ce que notre exposé a forcément fragmenté et morcelé, celui-là doit éprouver un sentiment de liberté, comme s'il sortait d'une cage où il était enfermé jusqu'ici ; il doit être pénétré de la certitude que notre raison n'est pas seulement un pispis-aller humain, par trop humain, pour la lutte pour la vie, mais qu'elle s'est développée malgré toutes les embûches et les errements jusqu'au point où elle peut embrasser objectivement la vérité. Quelques-uns des accords puissants de cette harmonie des sphères auxquels Pythagore et Kepler rêvaient, sont parvenus à nos oreilles ».

Le grand mathématicien et physicien Hermann Weyl, le plus doué des élèves de Hilbert, a beaucoup fait pour montrer l'importance des groupes en physique quantique. On lui doit aussi un excellent petit livre de vulgarisation sur le concept de groupe (Symétrie et mathématique moderne) et les connexions avec la notion de symétrie dans les sciences de la nature, qu’il s’agisse de la cristallographie, de la biologie ou de la théorie de la relativité, voire du domaine artistique. © ETH Zurich 

On peut cependant continuer à souscrire aussi à cette déclaration d'Albert Einstein après ses 50 ans de rumination constante sur le monde quantique.

« Une chose que j'ai apprise au cours d'une longue vie c'est que toute notre science, mesurée par rapport à la réalité, est primitive et enfantine. Et pourtant, c'est la chose la plus précieuse que nous ayons ».

Du Big Bang au Vivant : rencontrez Jean-Pierre Luminet et Hubert Reeves

Article de Laurent SaccoLaurent Sacco publié le 07/02/2011

Préparez-vous à entreprendre un grand voyage dans l'espace et dans le temps, pour suivre la croissance de la complexité dans l'univers observable, en compagnie des astrophysiciensastrophysiciens Jean-Pierre Luminet et Hubert ReevesHubert Reeves. Sur le site InternetInternet Du Big Bang au Vivant, ils répondent à plusieurs questions que vous pouvez vous poser sur le cosmos et l'origine de la vie.

« Je suis né dans un environnement, je ne sais pas d'où je suis venu ni où je vais ni qui je suis. C'est ma situation comme la vôtre, à chacun d'entre vous. Le fait que chaque Homme ait toujours été dans cette même situation et s'y trouvera toujours ne m'apprend rien. Tout ce que nous pouvons observer nous-mêmes à propos de la brûlante question relative à notre origine et notre destination, c'est l'environnement présent.

C'est pourquoi nous sommes avides de trouver à son sujet tout ce que nous pouvons. Voilà en quoi consiste la science, le savoir, la connaissance, voilà quelle est la véritable source de tout effort spirituel de l'Homme. Nous essayons de découvrir tout ce que nous pouvons au sujet du contexte spatial et temporel dans lequel notre naissance nous a situés. Et dans cet effort, nous trouvons de la joie, nous le trouvons extrêmement intéressant (ne serait-ce pas là le but pour lequel nous sommes ici ?). ».

L’un des pères de la mécanique quantique, le prix Nobel de physique Erwin Schrödinger. Sa mécanique des ondes de matière gouvernées par l’équation portant son nom a permis de comprendre les propriétés des atomes et des molécules. Il a découvert avec Einstein, en 1935, le phénomène d’intrication quantique impliqué par son équation. Erwin Schrödinger était aussi un passionné de philosophie, en particulier celle du vedanta. © Cern

Telle était la thèse soutenue par Erwin SchrödingerErwin Schrödinger en 1950 dans une des quatre conférences publiques intitulées  « La science comme élément constitutif de l'Humanisme ». L'un des fondateurs de la mécanique quantique, ayant travaillé aussi bien à l'élucidation de la nature de la vie qu'à l'apparition de la matière dans un modèle de cosmologie relativiste, il ajoutait même : 

« La connaissance isolée qu'a obtenue un groupe de spécialistes dans un champ étroit n'a en elle-même aucune valeur d'aucune sorte ; elle n'a de valeur que dans la synthèse qui la réunit à tout le reste de la connaissance et seulement dans la mesure où elle contribue réellement, dans cette synthèse, à répondre à la question : Qui sommes-nous ?  »

Nous savons désormais que nous sommes au moins des poussières d'étoiles selon l'expression souvent utilisée par Hubert Reeves et nous vivons peut-être dans un univers à l'espace-temps chiffonné, comme le propose Jean-Pierre Luminet.

Rendre compte des progrès en cosmologie, astrophysique et exobiologie

Depuis environ quarante ans, la cosmologie a considérablement progressé. Avec le modèle de concordance basé sur la matière noire et l'énergie noire, elle a atteint le stade de la précision. Grâce à l'exploration du Système solaireSystème solaire par les sondes Voyager et Cassini, faisant suite au projet Apollo, et surtout avec les découvertes d'exoplanètes qui se multiplient, l'exobiologieexobiologie est elle aussi en train de prendre son essor. On attend beaucoup des missions CorotCorot et Kepler et le programme Seti pourrait un jour nous réserver de belles surprises.

Malheureusement, si ces progrès ont largement été relayés depuis une dizaine d'années auprès du grand public dans les pays anglo-saxons (par des chaînes comme la BBC et DiscoveryDiscovery Channel), l'équivalent d'une telle vulgarisation n'existait pas dans les pays francophones.

Jean-Pierre Luminet, la productrice Iolande Cadrin‐Rossignol et le réalisateur Denis Blaquière ont donc décidé, il y a quatre ans, de relever le défi en compagnie d'Hubert Reeves et d'autres scientifiques. Grâce au soutien du Groupe ECP, ils ont donc développé un projet multiplateforme francophone sur la cosmologie contemporaine. Dernièrement, Futura-Sciences s'est trouvé associé à cette entreprise comme partenaire média.

Une multiplateforme francophone sur la cosmologie contemporaine 

Du Big Bang au Vivant, ce n'est pas simplement un site Web, une chaîne sur YouTube ou une page sur Facebook (qui permettent d'entreprendre un voyage dans le cosmos en remontant dans le temps, des premiers développements de la vie sur Terre au plasma chaud de l'univers primordial). C'est aussi un long métrage de 90 minutes déjà sorti au Québec (et qui devrait sortir en France) et une série documentaire (2 fois 52 minutes) dont le DVDDVD et le CDCD de la trame sonore (avec une musique de Christian Thomas) devraient bientôt être disponibles.

Sur le site lui-même, plusieurs courtes vidéos, dont certaines sont extraites du long métrage, permettent de répondre à de nombreuses questions que tout un chacun peut se poser sur l'univers, son Histoire et plus généralement, l'astrophysique, la cosmologie et l'exobiologie.

On trouve aussi des portraits de Jean-Pierre Luminet, Hubert Reeves, Annie Baglin qui travaille sur la mission Corot ou encore Edward Stone, l'un des principaux chercheurs impliqués dans la mission des sondes Voyager. Ils ne sont pas les seuls scientifiques à intervenir, on peut voir des contributions de Norbert Bartel, René Doyon, Christian Marois, OlivierOlivier Daigle, Sébastien Blais-Ouellette, Chris Herd et Richard Ellis.

 Voici quelque-unes des questions abordées sur le site :

• Qu'est-ce qu'un trou noir ?
• Sommes-nous seuls dans l'univers ?
• Vers une théorie unique pour comprendre l'univers ?

Le site devrait encore évoluer dans le futur. Nous aurons l'occasion d'y revenir, notamment avec une interview de Jean-Pierre Luminet.