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Supercordes, multivers, inflation : la physique moderne est-elle devenue trop métaphysique

jeudi 23 juin 2022, par Robert Paris

La physique moderne est-elle devenue trop métaphysique

Le positivisme logique était un mouvement philosophique des années 1920 et 1930 qui voulait introduire la méthodologie de la science et des mathématiques dans la philosophie. Dans le cadre de cette ambition, le Cercle de Vienne (« Wiener Kreis » en allemand) des positivistes logiques a tenté de purger la philosophie de la métaphysique - par laquelle ils entendaient toute spéculation qui ne pouvait pas être testée en utilisant les méthodes de la science empirique moderne. Les membres du Cercle de Vienne, y compris son chef nominal Moritz Schlick, ont trouvé que les affirmations spéculatives de la métaphysique traditionnelle, en particulier celles basées sur la religion, étaient fausses, incertaines ou stériles. Pour Rudolph Carnap, autre membre influent du Cercle, « les (pseudo) énoncés de la métaphysique ne servent pas à la description d’états de choses... » Ils sont, comme la poésie et la musique, « du domaine de l’art et non du domaine de la théorie » (extrait de « The End of Metaphysics ? » in « Western Philosophy : An Anthology », édité par John Cottingham). Carnap a proclamé avec assurance que dans la nouvelle philosophie matérialiste de la science, celle du Cercle, « une élimination radicale de la métaphysique est atteinte, ce qui n’était pas encore possible du point de vue anti-métaphysique antérieur. »

En fait, les positivistes logiques ont rejeté complètement toute spéculation non scientifique, et pas seulement en philosophie, insistant sur le fait que toutes les déclarations et théories n’ont littéralement aucun sens à moins qu’elles ne puissent être logiquement testées, vérifiées par l’expérience ou l’observation. C’est ce qu’on appelle la « théorie vérificationniste de la signification ». AJ Ayer n’était pas membre du Cercle de Vienne, mais a été puissamment influencé par celui-ci et a fait jaillir ses idées dans le monde anglophone avec son livre « Language, Truth and Logic ». Il a soutenu que chaque proposition vérifiable est significative (qu’elle soit vraie ou fausse), et toute affirmation non prouvable, que ce soit au sujet de la science ou de la métaphysique ou de l’existence de Dieu, est dénuée de sens. Les affirmations sur l’éthique, a-t-il dit, sont également invérifiables, leur seul sens peut donc être celui d’expressions de nos attitudes émotionnelles. Selon le vérificationnisme, le sens de toute déclaration réside dans sa méthode de vérification.

Bientôt, Karl Popper dans sa « Logique de la découverte scientifique » a signalé un problème de vérification : quel que soit le nombre d’observations qui sont en accord avec une théorie, cela ne peut jamais prouver de manière concluante sa véracité. Un exemple classique est l’affirmation selon laquelle « tous les cygnes sont blancs ». Même un grand nombre d’observations de cygnes blancs ne prouvera pas cela, mais une seule observation d’un cygne non blanc la réfutera (la « falsifiera »). Il a fait valoir qu’une « théorie qui n’est réfutable par aucun événement concevable est non scientifique. L’irréfutable n’est pas une vertu d’une théorie (comme on le pense souvent) mais un vice… Le critère du statut scientifique d’une théorie est sa falsifiabilité, ou réfutabilité, ou testabilité. Ainsi, pour Popper, la falsifiabilité, et non la vérifiabilité, est le test qui distingue la véritable science de ce que Popper appelait la « pseudo-science » – ou la « métaphysique ».

Dans la deuxième des quatre interviews de la BBC avec Bryan Magee sur le positivisme logique et son héritage, AJ Ayer a souligné que les membres du Cercle de Vienne « voyaient le travail d’Einstein sur la relativité ainsi que la nouvelle théorie quantique comme une justification de leur approche ». Il semble bien que le remplacement de la physique newtonienne par la théorie de la relativité générale d’Albert Einstein ait eu un impact révolutionnaire sur le positivisme logique. Comme l’écrit John Earman, « un bref examen de l’histoire réelle du positivisme logique révèle que l’une de ses inspirations les plus fondamentales est précisément cette révolution einsteinienne. Les premiers écrits des positivistes logiques – de Schlick, Reichenbach et Carnap, en particulier – se concentrent tous sur la théorie de la relativité, une théorie dont l’impact révolutionnaire est explicitement reconnu au cours d’une polémique contre leurs prédécesseurs philosophiques." (« Inférence, explication et autres frustrations », p.85, 1992)

Mais la révolution de la physique initiée par Einstein en 1905 justifie-t-elle vraiment les principes du positivisme logique ? Mon propos consiste à affirmer que cette physique contredit la philosophie du Cercle de Vienne, en particulier l’engagement quasi fanatique du Cercle envers la méthodologie empiriste de David Hume, Ernst Mach et Bertrand Russell, ainsi que le principe de vérifiabilité de Moritz Schlick. Plus précisément, bien que de nombreuses idées révolutionnaires et hautement exotiques inventées par les successeurs scientifiques d’Einstein - telles que les trous blancs, les trous de ver, la matière noire, l’énergie noire, les cordes subatomiques, les univers parallèles, les dimensions cachées de l’espace-temps et les ondes gravitationnelles - peuvent apparaître dans les équations mathématiques et les calculs des physiciens théoriciens, dans la plupart des cas, aucune preuve n’a encore été trouvée dans l’Univers observable pour confirmer leur existence.

Philosophie métaphysique ou science-fiction ?

Selon le célèbre physicien Lee Smolin, co-fondateur de l’Institut Perimeter du Canada pour la physique théorique, ce mouvement actuel de la physique loin de l’empirisme du style Cercle de Vienne est dû au « triomphe d’une manière particulière de faire de la science qui a fini par dominer la physique dans le années 1940. Ce style… favorise la virtuosité dans le calcul plutôt que la réflexion sur des problèmes conceptuels difficiles » (Smolin, « The Trouble with Physics », 2006, pp.xxii). Reflétant la dévotion des positivistes logiques à l’empirisme, Smolin est très sceptique quant à cette « manière particulière de faire de la science ». Cela a conduit à ce qu’il appelle « la crise actuelle » de la physique fondamentale :

« De nouvelles théories ont été avancées et explorées, certaines en détail, mais aucune n’a été confirmée expérimentalement. Et voici le nœud du problème : en science, pour qu’une théorie soit crue, elle doit faire une nouvelle prédiction – différente de celles faites par les théories précédentes – pour une expérience pas encore faite. Pour que l’expérience soit significative, nous devons être en mesure d’obtenir une réponse en désaccord avec cette prédiction. Lorsque c’est le cas, nous disons qu’une théorie est « falsifiable » - vulnérable à être montrée fausse. La théorie doit également être « vérifiable » ; il doit être possible de vérifier une nouvelle prédiction que seule cette théorie fait. Ce n’est que lorsqu’une théorie a été testée et que les résultats sont en accord avec la théorie que nous avançons la théorie au rang des vraies théories »

(Smolin, Le problème avec la physique p.xiii)

À la lumière de cela, de nombreuses théories adoptées par les physiciens théoriques aujourd’hui ressemblent à ce que Smolin appelle des « fantasmes métaphysiques ». L’une des plus importantes est l’idée d’univers multiples, également connue sous le nom d’« hypothèse de plusieurs mondes » ou de théorie du « multivers ». Différentes versions de celui-ci ont été promues comme réponse aux énigmes dans de nombreuses branches de la physique ; il a fait l’objet d’un numéro entier de New Scientist magazine en 2011, et parmi ses nombreux partisans scientifiques figurait le regretté Stephen Hawking, qui y a travaillé dans son dernier article publié. Mais malgré tout cela, l’hypothèse du multivers reste une théorie purement spéculative dans le sens où elle n’est pas vérifiable par l’observation directe. En fait, il n’a aucune preuve empirique concrète pour le soutenir. Cela ne peut pas être prouvé en utilisant le principe de vérifiabilité de Schlick ; elle ne peut pas non plus être falsifiée empiriquement comme Karl Popper croyait que toute théorie véritablement scientifique devrait l’être. En tant que simple artefact de la spéculation théorique et/ou des modèles mathématiques, c’est plus de la philosophie et de la métaphysique qu’une science empirique vérifiable. Cela frise la science-fiction.

Une autre théorie douteuse a gagné en popularité à la suite de problèmes entourant la théorie du Big Bang, concernant la répartition relativement uniforme de la matière observée dans tout l’Univers visible. C’est quelque chose que l’on ne s’attendrait guère à voir résulter d’une gigantesque explosion d’énergie concentrée en un point bien plus petit qu’un atome il y a environ 13,8 milliards d’années. Mais notre première « image de bébé » radioastronomique de l’apparence de l’Univers environ 380 000 ans après le Big Bang, montre une répartition uniforme de la matière dans toutes les directions. Pour expliquer cette anomalie, Alan Guth et d’autres cosmologistes ont proposé la théorie dite de "l’inflation", selon laquelle l’Univers nouvellement créé s’est initialement étendu à un rythme beaucoup plus rapide même que la vitesse de la lumière pendant une fraction de seconde juste après le Grand Claquer. Mais cet ajustement ad hoc ou « béquille théorique » (pour reprendre l’expression appropriée de Thomas Kuhn) ne parvient pas à expliquer la répartition uniforme de la matière dans tout l’Univers, car les débris d’une explosion de type Big Bang devraient toujours être répartis de manière assez inégale et chaotique même si l’Univers s’est initialement développé incroyablement rapide. De plus, la nouvelle théorie a créé d’autres complications telles que onze dimensions de l’espace-temps, d’innombrables Big Bangs et, encore une fois, l’existence de nombreuses copies de chacun de nous habitant plusieurs univers parallèles. Smolin remarque que « la théorie de l’inflation a fait des prédictions qui semblaient douteuses » (p.xi), et s’est plaint que ce n’est guère l’étoffe dont est faite la science popperienne :

« C’est un tour de passe-passe par lequel ils espèrent convertir un échec explicatif en un succès explicatif. Si nous ne comprenons pas… notre univers, présumons simplement que notre univers est membre d’un ensemble infini et inobservable d’univers… Il y a tellement de mal à cela en tant qu’hypothèse scientifique… il est difficile de voir comment il pourrait faire des prédictions falsifiables pour des expériences faisables. »

(cité par John Horgan dans Scientific American , 4 janvier 2015)

De plus, considérez ce qui est peut-être la théorie la plus populaire parmi les physiciens théoriciens d’aujourd’hui : la théorie des cordes. Selon Smolin, la théorie des cordes « propose que toutes les particules élémentaires proviennent des vibrations d’une seule entité – une corde » qui est si infinitésimale qu’elle est invisible même pour les instruments ultrasophistiqués de la science moderne. Mais Smolin rejette le statut scientifique de la théorie des cordes car elle « ne fait aucune nouvelle prédiction qui soit vérifiable par les expériences actuelles – ou même actuellement concevables –… Ainsi, peu importe ce que montrent les expériences, la théorie des cordes ne peut pas être réfutée. Mais l’inverse est aussi vrai : aucune expérience ne pourra jamais prouver sa véracité » (« The Trouble with Physics », p.xiv). Smolin voit également d’autres défauts tout aussi fatals dans la théorie des cordes. « Une partie de la théorie des cordes ne fait aucune raison de nouvelles prédictions est qu’il semble venir un nombre infini de versions ... chacuns en désaccord avec la présente des données expérimentales » (Ibid). Il démystifie ensuite les prétentions métaphysiques de la théorie des cordes malgré sa position clairement dominante dans le monde de la physique aujourd’hui. « La théorie des cordes… postule que le monde est fondamentalement différent du monde que nous connaissons. Si la théorie des cordes a raison, le monde a plus de dimensions et beaucoup plus de particules et de forces que ce que nous avons observé jusqu’à présent. De nombreux théoriciens des cordes parlent et écrivent comme si l’existence de ces dimensions et particules supplémentaires était un fait assuré, dont aucun bon scientifique ne peut douter. Plus d’une fois, un théoricien des cordes m’a dit quelque chose comme « Mais voulez-vous dire que vous pensez qu’il est possible qu’il n’y ait pas de dimensions supplémentaires ? » En fait, ni la théorie ni l’expérience n’offrent la moindre preuve que des dimensions supplémentaires existent. (p.xvi)

La physique fondamentale a été prise comme modèle pour le développement de toutes les autres sciences. Pour les empiristes dévoués comme Smolin, c’est une tragédie qui « malgré tous nos efforts, ce que nous savons avec certitude sur les lois [physiques fondamentales] n’est pas plus que ce que nous savions dans les années 1970 » (p.viii). Il attribue cela à « l’arrogance » de nombreux théoriciens des cordes. (p.269)

« Tout est dans les maths » ?

Au cours de l’éclipse totale de Soleil à l’automne 1919, des astrophysiciens britanniques ont observé des preuves que la gravité du Soleil courbe la trajectoire de la lumière d’autres étoiles, confirmant une prédiction clé de la théorie de la relativité générale d’Einstein. Un article perspicace de Richard Panek dans le magazine scientifique Discoveren mars 2008, a décrit comment Einstein a interrompu un étudiant qui tentait de le féliciter pour ce succès scientifique, en disant « Mais je savais que la théorie est correcte ». Mais quoi, demanda l’étudiant, si les observations avaient contredit ses calculs ? Einstein a répondu : "Alors j’aurais été désolé pour le cher Seigneur - la théorie est correcte." C’est un rejet suffisant du principe positiviste de la vérifiabilité empirique. Einstein déclara des années plus tard que « Notre expérience jusqu’à présent nous justifie de croire que la nature est la réalisation des idées mathématiques les plus simples imaginables. Je suis convaincu que l’on peut découvrir au moyen de constructions purement mathématiques les concepts et les lois qui les relient les uns aux autres. » Panek résume bien les implications capitales du passage de la méthode plus traditionnelle d’observation empirique à la foi d’Einstein dans les expériences de pensée et « l’imagination mathématique ». « Pendant des milliers d’années, les chercheurs ont étudié le comportement du ciel et ont cherché à le capturer en termes mathématiques. Einstein a renversé le défi : il a cherché la vérité dans les équations et a ensuite cru que les études du ciel le soutiendraient. Presque toute la cosmologie moderne et la physique théorique découlent de ce saut de la foi – ou peut-être du saut de la raison. »

Smolin ne marche pas avec un tel "saut de la raison" - à moins qu’il ne soit étayé par des preuves empiriques solides : par des observations et des expériences qui prouvent ou réfutent toute hypothèse proposée dans le strict respect à la fois de la philosophie scientifique du Cercle de Vienne et des idées de Popper. Il écrit : « Une fois que vous raisonnez ainsi, vous perdez la capacité de soumettre votre théorie au genre de test que l’histoire des sciences montre encore et encore est nécessaire pour trier les théories correctes des belles mais fausses. Pour ce faire, une théorie doit faire des prédictions spécifiques et précises qui peuvent être confirmées ou réfutées. S’il y a un risque élevé de non-confirmation, alors la confirmation compte pour beaucoup. S’il n’y a aucun risque de l’un ou l’autre, alors il n’y a aucun moyen de continuer à faire de la science » (Smolin, « The Trouble with Physics », p.169).

Conclusions non positivistes

Ainsi, la physique théorique adoptée par les héritiers d’aujourd’hui d’Einstein est-elle une science empirique, une philosophie métaphysique ou une science-fiction vérifiables ? Les héritiers d’Einstein semblent avoir oublié la mise en garde d’Einstein en 1933, selon laquelle « l’expérience reste, bien sûr, le seul critère de l’utilité physique d’une construction mathématique ». Lee Smolin ajoute son propre avertissement : « Les mathématiques sont notre outil le plus utile, mais l’idée qu’ils devraient être prophétiques a fait beaucoup de mal. » (Scientific American , 4 janvier 2015)

L’article « La découverte de Panek » conclut en identifiant les énormes défis auxquels est confronté le domaine troublé de la cosmologie, qui est désormais davantage motivé par la théorie mathématique et la « beauté mathématique » que par un empirisme intransigeant basé sur l’observation. « Ces derniers concepts existent tous magnifiquement dans les mathématiques, mais jusqu’à présent, les observateurs n’en ont identifié aucun signe dans le monde réel… Comment aller au-delà de la dévotion servile à l’expérience a peut-être été le plus grand cadeau d’Einstein au 20e siècle. Comment ramener l’imagination mathématique sur terre peut être considéré comme son plus grand défi pour le 21e. » Si ce défi n’est pas relevé, alors les futures réalisations en physique fondamentale – un domaine qui « souffre manifestement d’un excès d’imagination et d’un déficit de données » (Horgan) – pourraient s’éloigner de plus en plus de l’observation et de la prédiction vérifiable vers des domaines de plus en plus fantaisistes de spéculation métaphysique. Après tout, que penser quand le cosmologiste vivant le plus connu d’Amérique, le Dr Neil deGrasse Tyson, à la suite du philosophe Nick Bostrom, dit que la probabilité que l’Univers soit une simulation numérique « peut être très élevée… Et si c’est le cas, il m’est facile d’imaginer que tout dans nos vies n’est que la création d’une autre entité pour leur divertissement. En effet, cette « hypothèse de simulation » est-elle elle-même une théorie scientifique, ou de la pure science-fiction ?

Rossen Vavilev Jr 2019

Lee Smolin et la physique contemporaine

Popper et la falsifiabilité

Le statut de l’expérience au sein de la Physique

Une physique purement mathématique ?

Les Mathématiques et la Physique

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