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D’Einstein à Hawking, la cosmologie a échoué dans la compréhension du Temps et de l’Univers

1. Situation de la cosmologie

 

Dans son dernier livre écrit avec la participation de Leonard Mlodinow, Stephen Hawking fait le point sur la connaissance scientifique de l’univers, non sans lancer une pique aux philosophes naguère habilités à questionner le monde : « La philosophie est morte, faute d’avoir réussi à suivre les développements de la science moderne, en particulier de la physique » (Hawking, Y a-t-il un grand architecte dans l’Univers ? Odile Jacob, 2011). Ne voyons aucune malveillance dans ce propos dont l’intention serait plutôt de réveiller les philosophes. Hélas, si la science est à l’image d’un TGV fonçant sans conducteur, la philosophie est un immense navire qui fait des ronds dans l’océan depuis des lustres. Qui sonnera le tocsin pour annoncer le décès de la philosophie, ou alors se réveillera en déterrant la hache d’Heidegger pour livrer une partie métaphysique avec la cosmologie ?

 

L’intérêt de la science moderne envers une théorie de « l’univers et son histoire » est récent. A peine un siècle. L’histoire du vivant n’est pas très ancienne, quelque deux siècles si l’on remonte à Lamarck. En réalité, l’intérêt de l’homme pour le cosmos remonte à plusieurs millénaires. Les premiers sages ont inventé des mythes cosmogoniques. La théologie chrétienne a elle aussi façonné une histoire de la création en la considérant comme définitive. Newton a établi une mécanique céleste qui ne permet pas d’étudier l’histoire de l’univers et qui d’ailleurs ne s’en occupe pas. Ce n’est qu’à partir de 1917, lorsque fut publiée la relativité générale dans sa version complète, que l’étude de l’évolution du cosmos a été possible. Depuis cette date, la cosmologie ne se résume plus à un ensemble de corps célestes dont le mouvement est réglé par des forces obéissant aux règles de la gravitation newtonienne. Avec la relativité générale, l’univers est un objet complexe comprenant un pôle contenu et masse (impulsion et énergie) représenté par le tenseur T, et un pôle espace-temps représenté par les tenseurs géométrique et de courbure. L’espace-temps a non seulement une structure mais il peut avoir aussi une histoire, configurée comme une expansion de l’univers, non sans exclure la possibilité future d’une contraction. La théorie du big bang assigne à l’univers une origine dont la formulation mathématique est une singularité. Cela ne signifie pas qu’on puisse assigner une origine à l’univers mais qu’il existe une rupture, une frontière. Au-delà de cette limite, votre ticket n’est plus valable et ce sur ticket sont inscrites les lois gouvernant notre univers et du reste établies en observant cet univers dans lequel nous sommes plongés (ou même prolongés). Cette idée de prolongation nous ramènerait vers Augustin qui, dans le livre XI des Confessions, explique le temps en évoquant une distension de l’existence qui est « tirée » vers les choses qui s’écoulent dans le temps.

 

L’étude de « l’univers et son histoire » fut marquée par d’interminables controverses pendant la première phase des réflexions cosmologiques, de 1917 aux années 1970. Deux conceptions ont émergé, celle d’un univers avec une origine et celle d’un univers stationnaire. Les mesures astrophysiques ont offert aux physiciens des arguments en faveur d’une expansion, ce qui permet en remontant le temps d’assigner une naissance à l’univers. Néanmoins, le problème de la relativité générale est qu’elle ne décrit pas la matière d’un point de vue quantique. Or, si l’univers possède une histoire, celle-ci doit être double, incluant une histoire dans laquelle jouent de concert l’espace-temps et la matière. Cela impose d’utiliser deux théories, la cosmologie relativiste et la mécanique quantique. Les théoriciens se sont aventurés dans l’élaboration d’une théorie de la gravitation quantique, ou d’une théorie du Tout, parfois désignée comme théorie-M. Mais c’est avec les travaux de Hawking sur le trou noir que la jonction entre monde quantique et gravité a produit des résultats intéressants. Le trou noir a une aire, une entropie, il a une histoire, il s’évapore, et l’information semble se perdre. Ce dernier point a du reste été infirmé par les travaux utilisant le principe holographique et la dualité jauge/gravité. Depuis, d’autres controverses ont émergé, comme celle du « mur de feu ».

 

Ces résultats obtenus par les manipulations de formules doivent être considérés avec prudence. La disparition de l’information est écrite en combinant deux descriptions purement théoriques. Rien ne dit qu’une réalité physique puisse correspondre à ces formules. Néanmoins, l’histoire a montré que certaines formules obtenues par combinaison de théories ont abouti à des résultats étranges qui par la suite se sont révélés observables. On pense à l’équation relativiste de l’électron établie par Dirac et faisant apparaître des solutions à énergie négatives qui se sont révélés correspondre aux positrons détectés dans les collisionneurs à haute énergie.

 

2. L’histoire de l’univers et la compréhension du Temps

 

Einstein avait énoncé un principe bien utile pour comprendre la science : c’est la théorie qui décide de ce qui est observable. Une extension de ce postulat conduit à énoncer que : c’est la théorie qui décide de ce qu’il est possible de comprendre, ce qui est intelligible mais pas forcément exact, ni vrai, ni réel. L’intellection des choses à partir de théories complexes et suffisamment riche relève de la science des interprétations. Quelques physiciens de renom se sont essayés à cet exercice dont les méthodes ne sont pas codifiées, pas plus que dans l’herméneutique pratiquée en méditant les textes sacrés. Ce qui est codifié en revanche, ce sont les règles mathématiques qui permettent de construire modèles et théories. De la même manière que les textes sacrés sont construits avec certaines règles non écrites mais utilisée, notamment les similitudes et analogies pour développer tropes et autres allégories.

 

Revenons à notre univers. Le passé de l’univers, qui bien évidemment ne peut pas être expérimenté, dépend de la théorie utilisée. Hawking l’a parfaitement explicité dans son dernier livre. Un univers décrit par les lois de Newton n’a qu’un passé. Il évolue selon des lois déterministes. Laplace sautera sur l’occasion pour formuler la thèse déterministe du futur de l’univers déjà inscrit que l’on pourrait connaître sous réserve que l’on dispose d’une connaissance parfaite des conditions initiales. Avec la relativité générale, la question se complique. Il n’y a pas une seule histoire ni même un seul univers si l’on admet qu’un trou noir représente quelque chose en dehors de notre univers. La relativité générale offre un cadre. L’univers qui en sort dépend des choix effectués pour trouver une solution à ces équations qui laissent une marge de manœuvre assez élargie. Mais c’est la mécanique quantique qui vient troubler le jeu. Cette théorie physique ne permet pas de construire un seul passé ni un seul futur pour l’univers. Le caractère indéterministe de la réalité quantique impose de concevoir un spectre d’histoires passées et futures.

 

Le verdict est sans appel. La science est parvenue à l’ère de la fin des certitudes pour reprendre le titre d’un ouvrage de Prigogine. S’il est impossible de lire le passé ou le futur de l’univers, ce n’est pas à cause de l’incapacité des scientifiques mais de la nature de la matière telle qu’elle se dessine avec les modèles quantiques. Pour le dire autrement, dans le monde quantique, les choses ne sont pas décidées à l’avance. Dans le monde quantique, tout se décide pour se « phénoménaliser » au présent. Et nous ne pouvons pas savoir ce qui sera décidé. Nous voilà revenus à la case départ. La nature se plaît à rester voilée nous enseigna Héraclite il y a 2500 ans. La nature quantique défie les physiciens du 21ème siècle. Même Hawking est resté piégé par ce monde étrange, ne pouvant s’empêcher de raisonner en termes de trajectoire alors que cette notion n’a plus court dans le monde des particules, comme l’a bien vu Prigogine dont le livre testament a réglé cette question en abandonnant les notions classiques de trajectoire héritées de Newton. La dynamique quantique est une physique des communications, des informations. En vérité, on peut penser que Hawking n’était pas dupe mais a glissé quelques approximations sémantiques pour se mettre à la portée du grand public. Est-ce le cas aussi pour ses considérations sur le champ, concept majeur de la physique contemporaine certes, mais qui est mal compris. Il n’est pas du tout certain qu’un champ décrire une disposition de forces, visibles ou invisibles. Dire que les forces sont transmises par les champs mérite une explication. Les forces ne sont pas dans les champs mais dans les particules qui elles, génèrent des forces en réaction aux informations reçues du champ.

 

Comprendre l’espace, comprendre le temps. Ces deux défis hantent la physique contemporaine, après avoir étonné la longue série des philosophes. Le Temps mais aussi l’Espace ont-ils échappé à la compréhension des scientifiques ? Des centaines d’ouvrages savants auraient-ils raté la cible ? Trois théories permettent d’étudier le temps. Ce sont les deux relativités auxquelles s’ajoute la thermodynamique élargie à la physique statistique. La mécanique quantique utilise aussi le temps mais elle recèle un problème concernant la description des particules. Il faut utiliser autant d’espaces de configuration qu’il y a de particules. Le temps intervient cependant dans l’évolution de la fonction d’onde qui est unitaire (conservation de l’information). Sans qu’il n’y ait une flèche du temps, pas plus qu’elle ne se dessine dans la relativité restreinte. Tout au plus soupçonnera-t-on une origine ou une fin du temps en étudiant les singularités déduites des équations de la relativité générale. La thermodynamique décrit la flèche du temps mais elle ne l’explique pas, contrairement à ce qu’a énoncé Prigogine, l’un ses savants les plus remarquables sur cette question. Dans son dernier livre, Hawking imagine une théorie-M achevée et capable d’expliquer l’univers. Mais ce n’est qu’un acte de foi. Les explications du Temps par Carlo Rovelli ou Lee Smolin ne sont pas convaincantes. Le Temps reste une grande énigme pour la science, voire un mystère.

 

Revenons maintenant à la case départ indiquant les règles du jeu. La théorie décide de ce qui est intelligible dans le réel qu’elle explicite ou réfléchit. L’incompréhension du Temps par la science nous place face à une alternative. Ou bien les théories n’ont pas été interprétées jusqu’aux dernière extrémités, ou bien elles sont incomplètes, ce qui suppose de sortir de la physique pour aller vers la métaphysique afin de compléter les descriptions de la physique. Avec deux possibilités, les formulations mathématiques et les concepts philosophiques. Peut-être le Temps nous échappera-t-il, son origine relevant alors du Mystère. Mais d’un autre côté, une compréhension plus profonde du Temps nous est accessible. La philosophie a encore une partie à jouer, avec la science.

 

Un défi. La philosophie avec les scientifiques ou contre les scientifiques ? Ce n’est pas le philosophe qui en décide et si jamais il devait philosopher contre tous, il le ferait sans complexe !

 

quelques idées nouvelles sur le temps

 

https://iste-editions.fr/products/linformation-et-la-scene-du-monde

 

https://iste-editions.fr/products/temps-emergences-et-communications

 

http://www.iste.co.uk/book.php?id=1332

 

Bernard Dugué

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