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La Nature est-elle belle par nature ? La beauté comme viatique de la physique fondamentale.

Dans cet ouvrage1, il ne s’agit pas de dresser un état des lieux des dernières découvertes et théories en vogue dans le milieu de la physique fondamentale, mais d’observer ce milieu et sa démarche épistémologique de l’intérieur par l’intermédiaire du travail d’enquête de Sabine Hossenfelder, chercheuse en physique théorique à l’Institut des Études Avancées de Francfort.

Face à la stagnation de la recherche en physique fondamentale, où l’expérimentation n’est pas (plus ou pas encore?) à même d’affirmer ou d’infirmer les théories avancées, vers quelle direction amener la recherche ?

La physique fondamentale est actuellement enlisée dans une suite de problèmes théoriques insolubles. Explication : la théorie se heurte à des frontières au-delà desquelles la description physique du monde est tout simplement impossible, (entre autres, le Mur de Planck2 ) et où les outils permettant l’expérience et/ou l’observation ne peuvent accéder ou influent directement sur le milieu.

On peut alors avancer presque n’importe quelle théorie : celle-ci n’est ni vérifiable, ni réfutable. Sa nature même se trouve malmenée, particulièrement dans son acception popperienne3 : si une théorie ne peut être ni observée, ni expérimentée, elle ne peut être réfutée et perd donc sa scientificité. 

C’est ce presque qui est exploré par Sabine Hossenfelder. Ce presque qui repose quasi entièrement sur les mathématiques. Qu’est-ce qui guide la recherche alors qu’aucune donnée issue de l’observation n’est disponible ? 

Seules les mathématiques permettent d’appréhender la multitude de théories possibles. Non seulement elles permettent de s’en saisir mais également de les manier, de les developper et de les modifier. Mais si une solution est valable mathématiquement, l’est-elle dans le monde réel ? Les mathématiques permettent à la fois un nombre ahurissant de théories pour expliquer notre univers4 et de contourner des obstacles théoriques. Une théorie quelconque nécessite des dimensions d’espaces supplémentaires ? Qu’à cela ne tienne, ajoutons mathématiquement le nombre de dimensions requis par cette théorie (tout en sachant que nous ne pouvons pas vérifier l’existence de ces dimensions supplémentaires…) Ceci n’est qu’un exemple des multiples possibilités de rectification d’une théorie par les mathématiques.

Rappelons qu’en science, une théorie n’est pas le monde mais une description, une façon parmi les moins incorrectes de définir certains paramètres de notre environnement. 

Pour être plus clair, la théorie est un outil, un ensemble de modèles, perpétuellement questionnée et remise en cause. Tant qu’une théorie n’est pas prise en défaut, elle permet de comprendre avec une bonne précision les principaux sujets dont elle traite.

Ces remarques deviennent capitales alors que la physique se heurte à plusieurs notions et phénomènes qu’elle peine à expliquer, dont le principal est l’unification de la physique quantique et de la relativité générale (l’une fonctionne très bien à l’échelle atomique, l’autre à l’échelle cosmique, mais toutes deux sont incompatibles entre elles). Parmi ces problèmes inexpliqués, on trouve la matière noire dont on ne sait pas s’il s’agît de matière interagissant faiblement avec la matière ordinaire (dite baryonique), d’effets non connus de la gravité, si elle est composée de micros trous noirs primordiaux (c’est à dire apparus très peu de temps après le Big-Bang) ou encore si notre interprétation de la gravitation est correcte.

Comment poursuivre l’exploration de la physique dans ces conditions ? C’est à cette question que s’est intéressée l’autrice, et particulièrement à un aspect surprenant pour le lecteur non-familier des dernières connaissances en physique : la recherche de la beauté. Il n’est pas question ici d’esthétique au sens classique, mais d’ordre de grandeur dit « naturel » ou d’ « élégance » d’une équation ou d’une idée. Autrement dit, c’est une idée de la beauté que se fait la majorité des physiciens qui dicterait l’orientation des recherches.

Si certaines notions de physique frappent par leur apparente simplicité et sobriété (on peut rappeler la célèbre formule E=mc2 ), rien ne dit que la beauté est inscrite a priori dans la nature, au travers du langage mathématique que nous utilisons pour la décrire (et de quelle beauté parle-t-on au juste ?). Il n’en reste pas moins que nous pouvons trouver dans la nature des motifs visuels ou des proportions répondant à des lois mathématiques, et que nous y trouvons une forme de beauté. Le célèbre exemple de la coquille de nautile et du nombre d’or, les structures de Turing ou les fractales en témoignent. Cela explique la nature mais en aucun cas ne prouve que la nature « fait » des mathématiques, et à plus forte raison qu’elle se servirait de ces mathématiques pour fabriquer du beau.

Si cette question de la beauté ne dépend pas directement de la physique en tant que telle, l’autrice s’interroge et enquête auprès des plus grands spécialistes mondiaux de la physique théorique pour déterminer si la beauté peut être un guide dans ce qui apparaît comme une panne sans précédant de ce domaine. Il n’est pas question de s’esbaudir sur la variété du vivant ou la beauté des supernaovae, mais d’interroger la notion de beauté dans ce cadre strict de la physique (qui provient du grec phusikós « naturel »). Le monde académique de la physique, où l’intuition serait intimement liée à la beauté, apparaît alors comme un milieu social soumis aux mêmes aléas que n’importe quel autre milieu, avec des biais semblables. Un des exemples présent dans l’ouvrage est explicite à ce sujet : Steven Weinberg ( Prix Nobel de Physique 1979) base la beauté sur l’expérience5 , par analogie avec un éleveur de chevaux qui saura, au premier coup d’œil, détecter le « beau » cheval qui remportera de nombreux titres, cela grâce à l’expérience accumulée. Mais nous avons une certaine connaissance des équidés et ils sont accessibles aux sens et aux appareils de mesure, contrairement à l’exploration du problème physique dont nous parlons. À l’habituation à la beauté est opposé le caractère inconnu et inédit de ce que l’on recherche.

Cette approche de la Beauté est à examiner à la lumière de la définition hégélienne d’un Beau non préexistant, à réaliser dans le monde, et de celle, kantienne, d’un beau universel, tout en soulignant que le goût n’est pas un jugement de connaissance mais ordonne le monde.

Quelle que soit la définition que donne la physique de la beauté, la thèse de J. W. McAllister6  (professeur d’histoire et de philosophie des sciences à l’université de Leiden) est alignée face au « processus d’apprentissage de ce qui a fonctionné »7 : d’une nouvelle idée de la beauté déboucherait une révolution scientifique. Avec pour exemple l’héliocentrisme ou la mécanique quantique.

Ces sujets peuvent apparaitre mystérieux et de peu d’intérêt aux yeux du profane, ils ont pourtant des répercussions bien concrètes. C’est suivant la théorie la plus en vogue que sera décidée la construction d’un nouveau collisionneur de particules par l’Organisation européenne pour la recherche nucléaire…avec ces milliards d’euros de travaux (le Large Hadron Collider, dans sa configuration actuelle, est chiffré à 4,88M€8 ). 

Vue du tunnel du LHC, anneau de 27km sous la frontière franco-suisse. (Nicolas BUSSER / Photothèque IN2P3)
Vue du tunnel du LHC situé à la frontière franco-suisse.  Il consiste en un anneau de 27 kilomètres de circonférence formé d’aimants supraconducteurs et de structures accélératrices qui augmentent l’énergie des particules qui y circulent.(texte : site du CERN https://home.cern/fr ; image : Nicolas BUSSER / Photothèque IN2P3)

Loin de s’arrêter à cette simple objection financière, l’autrice amène une réflexion intéressante sur les dessous du monde de la production de connaissances et des conditions de travail qui en découlent9 : difficultés de financement, recherche orientée par un vision à court-terme et mercantile… Elle démontre que ces théories, ne pouvant plus s’appuyer sur des observations, deviennent de simples opinions (avec moult mathématiques et débats de spécialistes) et, comme toutes bonnes opinions, doivent convaincre pour exister. Et exister dans la recherche fondamentale signifie publier et être cité. Le critère de véracité ne se fonde plus sur la scientificité mais sur la séduction qu’exercera une théorie auprès des comités de lecture des revues scientifiques et donc sur une subjectivité. Tout l’opposé de ce à quoi prétend la science.

Ce questionnement montre que les physiciens, qui n’ont bien évidemment pas la primeur du questionnement sur la beauté, s’en sont cependant fait une idée assez nette mais sans interroger leur préconception de celle-ci. Comment leur en vouloir : la notion est non pertinente dans leur champ disciplinaire. Mais l’importance donnée à cette notion comme guide dans leurs recherches est pertinente. Alors que ce choix a des conséquences tangibles sur la recherche en physique fondamentale, peut-être la philosophie, l’histoire et la sociologie des sciences devraient s’emparer de cette problématique pour elle.

  1. Sabine Hossenfleder, Lost in Maths – Comment la beauté égare la physique, (trad. : R. Clarinard), Les Belles Lettres, 2019, 978-2-251-44931-9, 339p. , 19,50€ []
  2. Le Mur de Planck est une limite théorique au-delà (ou avant) laquelle les notions d’espace et de temps sont sans objet. Ce serait donc théoriquement le plus petit élément mesurable de notre univers. []
  3. Karl Popper (1902 – 1994) place la scientificité d’un concept principalement dans le fait que celui-ci peut être réfuté et soumis à la critique. []
  4. « […]les physiciens ont découvert que la théorie permettait une vaste quantité de configurations possibles, chacune trouvant son origine dans une possibilité de compactification différente et menant à une théorie différente dans la limite de l’énergie faible. Puisqu’il y a tant de façon de construire la théorie – on les évalue aujourd’hui à 10500 –, le modèle standard en fait plausiblement partie » S. Hossenfelder, Lost in Math, op. cit. p 209. []
  5. « Vous avez établi cette analogie avec un éleveur de chevaux. Ça semble suggérer que le fait de prêter attention à la beauté dans le développement théorique est lié à l’expérience? – Oui, c’est ce que je crois, répond Weinberg […]Nous avons appris que quelles que soient les théories que nous suggèrent nos idées esthétiques il faut d’une façon ou d’une autre les confronter à l’expérience. Et au fil du temps, nous avons appris non seulement que les théories suggérées par notre sens de la beauté doivent être confirmées par l’expérience, mais progressivement, notre sens de la beauté change d’une manière qui découle de notre expérience » S. Hossenfelder, Lost in Math, op. cit. p 123-124. []
  6. James. W. McAllister, Beauty and Revolution in Science, Cornell University Press, 1996 []
  7. p186, S. Hossenfelder, Lost in Math, op. cit. []
  8. « Combien coûte le LHC » ; https://home.cern/fr/resources/faqs/facts-and-figures-about-lhc ; consulté le 16 novembre 2019. []
  9. p188 , S. Hossenfelder, Lost in Math, op. cit. []