Les maths et les sciences m’ont toujours fascinée, même si je n’ai jamais maîtrisé le domaine. Mais si cette fascination venait d’une forme d’esthétique de la théorie scientifique ? Une lecture bien intéressante sur Aeon aide à expliquer cela.

Qui n’aime pas une jolie idée ? C’est certainement le cas des physiciens. Dans les fondements de la physique, c’est devenu une pratique acceptée de préférer les hypothèses qui sont esthétiquement agréables. Les physiciens croient que leurs motivations n’ont pas d’importance parce que les hypothèses, dans l’absolu, doivent être testées. Mais la plupart de leurs belles idées sont difficiles ou impossibles à tester. Et chaque fois qu’une expérience revient sans résultats, les physiciens peuvent modifier leurs théories pour tenir compte des résultats nuls.

Cela dure depuis une quarantaine d’années. Au cours de ces 40 années, les arguments esthétiques se sont transformés en programmes de recherche – tels que la supersymétrie, le multivers et la grande unification – qui occupent aujourd’hui des milliers de scientifiques. Au cours de ces 40 années, la société a dépensé des milliards de dollars pour des expériences qui n’ont trouvé aucune preuve à l’appui des belles idées. Et au cours de ces 40 années, il n’y a pas eu de percée majeure dans les fondements de la physique.

Sabine Hossenfelder (chercheur à l’Institut des hautes études de Francfort, avec un intérêt particulier pour la phénoménologie de la gravité quantique) dit que ses collègues soutiennent que les critères de beauté sont basés sur l’expérience.

La vérité est belle, même si la preuve par l’expérience ne correspond pas à l’esthétique de la théorie.

Les théories les plus fondamentales que nous avons actuellement – le modèle standard de la physique des particules et la relativité générale d’Albert Einstein – sont belles à certains égards.

Le prix Nobel de physique Paul Dirac était d’accord avec Einstein, disant en 1963 qu' »il est plus important d’avoir la beauté dans ses équations que de les adapter à l’expérience ».
C’est précisément ce qui réjouit les mathématiciens dans une grande preuve : non pas qu’elle est juste, mais qu’elle montre un génie humain tangible.

Hossenfelder convient que ça vaut la peine d’essayer de supposer que des théories plus fondamentales sont belles de la même manière. Sauf qu’en essayant, ça n’a pas marché. Et pourtant, les physiciens continuent de choisir des théories basées sur les trois mêmes critères de beauté : simplicité, naturel et élégance, pour conduire leurs recherches.

Avec simplicité, qui se distingue du principe du rasoir d’Occam, qui exige qu’entre deux théories qui réalisent la même chose, vous choisissiez celle qui est la plus simple (« les hypothèses suffisantes les plus simples sont les plus vraisemblables« ). Ici c’est l’idée de simplicité absolue : une théorie doit être simple, point final. Quand les théories ne sont pas assez simples au goût des scientifiques, ils essaient de les simplifier – en unifiant plusieurs forces ou en postulant de nouvelles symétries qui combinent les particules dans des ensembles ordonnés.

Le deuxième critère est le caractère naturel. Le naturel est une tentative de se débarrasser de l’élément humain en exigeant qu’une théorie n’utilise pas d’hypothèses qui semblent triées sur le volet. Ce critère est le plus souvent appliqué aux valeurs des constantes sans unités, comme les rapports des masses des particules élémentaires. Le caractère naturel exige que ces nombres soient proches d’un ou, si ce n’est pas le cas, la théorie explique pourquoi ce n’est pas le cas.

Et puis il y a l’élégance, le troisième aspect le plus insaisissable de la beauté. C’est souvent décrit comme une combinaison de simplicité et de surprise qui, ensemble, révèle de nouvelles connexions. Nous trouvons l’élégance dans l’effet ‘Ha !’ (ou Eurêka), le moment où les choses se mettent en place.

Les physiciens considèrent actuellement une théorie prometteuse si elle est belle selon ces trois critères. Cela les a amenés à prédire, par exemple, que les protons devraient être capables de se décomposer. Les expériences ont cherché cela depuis les années 1980, mais jusqu’à présent, personne n’a vu de désintégration des protons. Les théoriciens ont également prédit que nous devrions être capables de détecter les particules de matière noire, comme les axions ou les particules massives à faible interaction (WIMPs). Des douzaines d’expériences ont été commandées, mais aucune des particules hypothétiques n’a été trouvée – du moins pas jusqu’à présent. Les mêmes critères de symétrie et de naturalité ont conduit de nombreux physiciens à croire que le Grand collisionneur de hadrons (LHC) devrait voir quelque chose de nouveau en plus du boson de Higgs, par exemple des particules dites  » supersymétriques  » ou des dimensions supplémentaires de l’espace. Mais rien n’a été trouvé jusqu’à présent.

Jusqu’où pouvez-vous pousser ce programme avant qu’il ne devienne absurde ? Eh bien, si vous rendez une théorie de plus en plus simple, elle finira par devenir imprévisible, parce que la théorie ne contient plus assez d’informations pour effectuer même des calculs. Ce que vous obtenez alors est ce que les théoriciens appellent maintenant un ‘multivers‘ – une collection infinie d’univers avec différentes lois de la nature.

Par exemple, si vous utilisez la loi de la gravité sans fixer la constance gravitationnelle de Newton comme mesure, vous pourriez dire que votre théorie contient un univers pour n’importe quelle valeur de la constante. Bien sûr, vous devez alors postuler que nous vivons dans le seul univers qui a la valeur de la constante de Newton que nous mesurons. On dirait que vous n’avez pas gagné grand-chose. Sauf que les théoriciens peuvent maintenant écrire des articles sur ce grand nombre de nouveaux univers. Encore mieux, les autres univers ne sont pas observables, donc les théories multivers sont à l’abri des tests expérimentaux.

Il est temps de tirer une leçon de l’histoire de la science. La beauté n’a pas de bons antécédents en tant que guide pour le développement théorique. Beaucoup de belles hypothèses étaient tout simplement fausses, comme l’idée de Johannes Kepler que les orbites planétaires sont empilées dans des polyèdres réguliers connus sous le nom de ‘solides de Platon‘, ou que les atomes sont des nœuds dans un éther invisible, ou que l’Univers est dans un ‘état stable’ plutôt que subissant une expansion.

Les cinq polyèdres réguliers convexes (solides de Platon)
Tétraèdre Hexaèdre
ou Cube
Octaèdre Dodécaèdre Icosaèdre
Tétraèdre Cube Octaèdre Dodécaèdre Icosaèdre

 

Et d’autres théories autrefois considérées comme laides ont résisté à l’épreuve du temps. Lorsque Kepler a suggéré que les planètes se déplaçaient sur des ellipses plutôt que sur des cercles, cela a frappé ses contemporains comme « trop laid pour être vrai« . Et le physicien James Maxwell s’est opposé à sa propre théorie concernant les champs électriques et magnétiques, parce qu’à son époque, la norme de beauté impliquait des engrenages et des boulons. Paul Dirac a critiqué une version ultérieure de la théorie de Maxwell comme laide, parce qu’il fallait une gymnastique mathématique compliquée pour éliminer les infinités. Néanmoins, ces idées prétendument laides étaient correctes. Elles sont encore utilisés aujourd’hui. Et nous ne les trouvons plus laides.

L’histoire a une deuxième leçon. Même si la beauté était sans doute une forte motivation personnelle pour de nombreux physiciens, les problèmes qui ont conduit à des percées n’étaient pas simplement des doutes esthétiques – il s’agissait de contradictions mathématiques. Einstein, par exemple, a aboli le temps absolu parce qu’il était en contradiction avec l’électromagnétisme de Maxwell, créant ainsi une relativité restreinte. Il a ensuite résolu le conflit entre la relativité restreinte et la gravité newtonienne, ce qui lui a donné la relativité générale Dirac a plus tard supprimé le désaccord entre la relativité restreinte et la mécanique quantique, ce qui a conduit au développement des théories des champs quantiques que nous utilisons encore aujourd’hui en physique des particules.

(pour plus d’infos sur la relativité, il est intéressant de lire aussi au sujet de la relativité Galiléenne, présentée par Galilée comme une propriété que confirme l’expérience))

Le boson de Higgs, aussi, est né du besoin de cohérence logique. Trouvé au LHC en 2012, le boson de Higgs est nécessaire pour faire fonctionner le modèle standard. Sans les Higgs, les calculs des physiciens des particules renvoient des probabilités supérieures à 1, un non-sens mathématique qui ne peut pas décrire la réalité. Certes, les mathématiques ne nous ont pas dit qu’il fallait que ce soit le boson de Higgs, ça aurait pu être autre chose. Mais nous savions que quelque chose de nouveau devait se produire au LHC, avant même qu’il ne soit construit. Ce raisonnement a été construit sur une base mathématique solide.

Les particules supersymétriques, par contre, sont jolies mais pas nécessaires. Elles ont été inclues pour corriger une lacune esthétique de la théorie actuelle, un manque de naturel.

Il n’y a rien de mathématiquement erroné avec une théorie qui n’est pas supersymétrique, mais qui n’est pas particulièrement jolie.

Les physiciens des particules ont utilisé la supersymétrie pour remédier à cette lacune perçue, rendant ainsi la théorie beaucoup plus belle. Les prédictions selon lesquelles les particules supersymétriques devraient être vues au LHC étaient donc fondées sur l’espoir plutôt que sur une logique solide. Et les particules n’ont pas été trouvées.

La conclusion de cette longue liste de résultats nuls est que lorsque la physique essaie de rectifier un manque de beauté perçu, nous perdons du temps sur des problèmes qui ne sont pas vraiment des problèmes. Les physiciens doivent repenser leurs méthodes, maintenant – avant de commencer à discuter si le monde a besoin d’un prochain grand collisionneur de particules ou d’une autre recherche sur la matière noire.

La réponse ne peut pas être que tout va, bien sûr. L’idée que de nouvelles théories devraient résoudre les problèmes existants est bonne sur le principe – c’est juste que, actuellement, les problèmes eux-mêmes ne sont pas formulés assez clairement pour que ce critère soit utile. La base conceptuelle et philosophique du raisonnement dans les fondements de la physique est faible, et cela doit s’améliorer.

Il ne sert à rien, et ce n’est pas une bonne pratique scientifique, d’exiger que la nature se conforme à nos idéaux de beauté. Nous devrions laisser les preuves ouvrir la voie à de nouvelles lois de la nature. On peut d’ailleurs être presque sûr que la beauté nous y attendra.

A voir aussi cet article du Monde pour les abonnés : Alerte, les théories scientifiques fausses se multiplient (des dizaines de revues scientifiques produisent et éditent des études peu scrupuleuses se retrouvant ensuite dans des banques de données servant de base à des experts.)

A lire aussi Beauté Versus Vérité, sur Aeon.

Une démonstration de Aeon.

Laisser un commentaire

Ce site utilise Akismet pour réduire les indésirables. En savoir plus sur comment les données de vos commentaires sont utilisées.