La Révélation des Lois de la nature

Roland Omnès

• Éditeur: Odile Jacob
• Année: 2008
• ISBN:
  9782738194725
• Sujet: Physical Sciences
• Sous-sujet: Physics

Les lois de la nature sont-elles inventées par les scientifiques? Ou sont-elles découvertes par eux? Préexistent-elles dans la nature? Ou lui sont-elles imposées?L'enjeu est clair: la science va-t-elle détruire la nature? Roland Omnès, l'un des maîtres de la physique théorique en France, montre dans cet essai que les lois de la nature ne sont ni inventées ni découvertes, mais révélées. Comme jadis Dieu s'est révélé à Moïse en lui donnant les Tables de la Loi, aujourd'hui la nature se révèle au physicien dans des formules mathématiques. Cette réflexion est menée au plus près d'une explication claire des lois de la physique. Un grand livre de science et de conscience. Roland Omnès est physicien théoricien, professeur émérite à l'université Paris-XI-Orsay.

Chapitre 12

Les caractères des lois

Comme elle a transformé la science, la découverte des lois de l’univers, de la matière et de la vie affecte profondément notre vision du monde. Nous restons interdits devant l’éclat soudain de trop de lumières, « comme les oiseaux nocturnes éblouis par le soleil, l’homme a peine à voir ce qui brille à l’excès1 ». Il est presque impossible de mesurer une telle surabondance de révélations, mais on peut du moins se risquer à décrire les aspects les plus évidents des lois, pour tenter de les déchiffrer. C’est ce que nous allons faire ici, en dressant d’abord une liste des caractères que nous retiendrons :

1. Les lois existent.

2. Elles sont cohérentes.

3. Elles sont intemporelles.

4. Elles créent.

5. Elles conjuguent parfois des contraires.

6. Elles entrent à la fois dans les catégories de puissance et d’action.

7. Leur structure est simple.

L’existence des lois

Il peut sembler surprenant qu’on affirme en premier l’existence des lois comme un de leurs caractères essentiels car tout ce qui précédait dans ce livre le supposait sans détour. Éprouver le besoin de le dire, c’est admettre que la question « les lois existent-elles ? » est encore digne qu’on s’y arrête. Certains philosophes la posent, cependant, non sans quelque raison et il faut voir pourquoi.

Revenons d’abord au sens du mot « loi ». On l’emploie couramment pour désigner les lois humaines, divines, ou celles de la nature, mais quelle acception est apparue en premier ? Un coup d’œil au Dictionnaire historique de la langue française d’Alain Rey nous apprend que ce furent les lois divines, dans la Grèce antique, et qu’on entendait par là un impératif religieux, un décret supérieur, avant de l’appliquer aux prescriptions des hommes. C’est la signification qu’on trouve chez Sophocle, quand Antigone proclame, face au tyran : « Sache qu’il existe des lois auxquelles les dieux eux-mêmes se soumettent. » Il est clair que le sens que l’on donne ici aux lois de la nature est plus proche d’un tel niveau de principes (ce qui vient en premier) que du Code Napoléon.

Le premier penseur chez qui cette notion apparaît avec force et clarté fut Aristote, en particulier dans sa Physique, et ce qu’il en dit est si important dans l’histoire des idées qu’on peut s’y arrêter un instant. Il commençait ainsi : « On ne pense jamais connaître une chose que lorsqu’on en connaît les causes premières, les principes premiers, et jusqu’à ses éléments. De même aussi pour les sciences de la nature, il est évident que l’on doit tout d’abord déterminer ce qui regarde les principes. » Suivait alors une théorie du mouvement fondée sur la dialectique de l’être et du non-être pour aboutir à un premier moteur, qui, d’un doigt infatigable, poussait la sphère céleste où sont accrochées les étoiles. Quant aux causes immédiates du mouvement, il fallait les chercher dans le désir et la haine : la pierre tombe par désir de rejoindre la terre, de même espèce qu’elle, la fumée monte par aversion de la terre et par amour des hauteurs éthérées.

Ce qui est remarquable dans ce texte, c’est qu’Aristote croyait fermement à l’existence de principes absolus, alors que toutes les lois qu’il promulguait étaient fausses au regard de la science ultérieure. Les philosophes, qui ont de la mémoire, ont donc pu demander, légitimement, si les lois que la science croit universelles ne seraient pas à leur tour une croyance douteuse. David Hume, au XVIII^e siècle, le disait sans détour : il n’y a que des faits, qui présentent certaines régularités. Ces régularités sont à l’origine du langage et de la raison humaine. Ce que la science (alors newtonienne) appelle ses lois universelles se ramène toujours à un simple résumé des faits. L’idée de loi, comme déjà chez Aristote, appartient à la métaphysique.

La réponse ordinaire à cette critique est que la science ne se contente pas de collectionner les faits et d’en faire une synthèse. Ses lois lui permettent de prévoir de nouveaux faits, jamais encore observés, de les réaliser pour les soumettre à l’expérience et d’aboutir ainsi à une vérification, ou une réfutation. Mais la philosophie a rétorqué par la question de l’« induction » : la science prétend que l’universalité de ses lois est établie par les expériences qu’elle-même suscite. Mais rien n’exclut que d’autres faits, jusqu’ici jamais constatés et jamais prévus, ne vont pas à l’encontre de ces lois. On ne peut donc pas affirmer qu’elles sont vraies. La science est un discours rationnel, mais un discours aux conclusions faillibles.

Il faut reconnaître que l’histoire des sciences au XX^e siècle a justifié cette critique, du moins en partie. Il a semblé un moment que tout ce qu’on croyait certain en physique était remis en question par les quanta et la relativité. « Vous voyez bien que vous vous étiez fait des illusions », disaient les sceptiques. En réponse, avec le temps, des investigations plus poussées ont montré que la physique antérieure restait vraie dans ses grandes lignes, quoique transformée en approximation (excellente d’ailleurs). Les contradictions apparentes tombaient (par exemple entre le déterminisme classique et le hasard quantique). Mais que répondre quand la même critique assène : en prétendant encore atteindre la vérité malgré les leçons du passé, vous ne faites que retomber dans votre erreur de principe ?

À ceci s’ajoutent des questions d’un autre ordre dont les plus pertinentes ont été soulevées par Henri Poincaré dans La Science et l’Hypothèse. Il faisait remarquer que la science se fonde sur des hypothèses dont la justification réside dans leur commodité. Ainsi, le principe d’inertie s’appuyait sur le cas d’objets affranchis de toute force agissante, mais tout est asservi à la gravitation dans l’univers et l’hypothèse dépassait le domaine des faits. Poincaré notait aussi que l’hypothèse héliocentrique de Copernic ne l’emportait sur l’hypothèse géocentrique de Ptolémée que par sa beaucoup plus grande commodité. Aujourd’hui, c’est devenu davantage encore une évidence avec la relativité générale où les lois sont les mêmes dans tous les référentiels (mais plus ou moins faciles à expliciter par le calcul). On pourrait ajouter que la séparation des deux piliers actuels de la physique, avec l’espace-temps et les quanta, est assurément commode, mais vraisemblablement approximative. La structure de la matière en atomes et en particules est indiscutablement une hypothèse précieuse, extrêmement utile, mais il est possible qu’elle en cache une autre plus profonde (les cordes ?).

On s’est demandé aussi si la formulation de la science en termes de lois était la meilleure. Fallait-il préférer les paradigmes de Thomas Kuhn ou privilégier d’autres structures, par exemple les symétries comme Van Frassen le propose2 ? J’ai pour ma part quelques idées contraires à ces points de vue, car on sait au moins de quoi l’on parle quand on se réfère à des lois clairement posées, mais ce n’est pas ici le lieu de s’y étendre.

Revenons plutôt à l’essentiel, c’est-à-dire à l’existence des lois, sous une forme à préciser. L’un des événements les plus remarquables dans l’histoire des sciences au XX^e siècle fut en fait une véritable apothéose des lois, après des crises apparentes. Loin de devoir abandonner l’idée de principes et de lois, on en découvrit de plus puissants, capables d’embrasser la totalité des faits connus en étendant démesurément leur domaine. D’anciens principes, comme ceux de Newton, ne subissaient en contrecoup que des transformations mineures. Certes, il fallait abandonner l’idée d’un espace et d’un temps absolus, mais ils n’avaient fourni, somme toute, qu’un cadre de pensée commode, que la nature pouvait nous ôter sans douleur. Les trois grands principes de Newton (ceux du principe d’inertie, de l’égalité entre action et réaction celui de la dynamique) rétrogradaient simplement du rang de principes à celui de conséquences de principes plus vastes, relativistes et quantiques. Ils en sortaient mieux compris, avec une évaluation explicite de leurs limites.

Par deux fois, la forme des lois s’est métamorphosée avec les révolutions relativistes et quantiques, mais les faits acquis demeuraient stables et beaucoup d’autres s’ajoutaient. Les nouvelles structures englobaient les anciennes. Il faut donc prendre en compte un autre fait, historique celui-là, dans la réflexion sur les lois. Ça n’a pas été seulement la remise en question de la science antérieure par des données nouvelles, comme la critique philosophique l’avait envisagée. Ce fut l’apparition de sciences nouvelles ressuscitant et transcendant l’ancienne, et cela personne ne l’avait imaginé.

Ce fut peut-être un des événements les plus extraordinaires de l’histoire de la connaissance, mais pour le comprendre, il faut faire intervenir les deux pôles de la science : l’homme et la nature. Cela suppose de ne pas considérer la science comme une œuvre étroitement humaine, mais plutôt comme une exploration de ce qui dépasse notre espèce. Quand on voit la science sous cet angle, il apparaît que les chercheurs ne la créent pas, ne la modèlent pas à leur gré, mais ils la sillonnent. Ils la découvrent comme Éric le Rouge reconnut jadis Terre-Neuve du pont de son drakkar, ou comme Christophe Colomb apercevant la côte des Amériques. Les chercheurs rapportent à l’humanité les cartes qu’ils relèvent sur un espace extrahumain.

À tout moment de l’histoire, cette exploration demeure incomplète, ouverte, mais des moments privilégiés se produisent où le butin s’organise harmonieusement en lois. Quand les frontières de l’inconnu sont repoussées plus loin, les perspectives se transforment, l’ordre ne disparaît pas, il se réorganise, plus vaste et plus précis. Comment ne pas reconnaître alors la persistance insistante de sa structure en lois comme un fait, à la fois historique et empirique ?

Ce fait n’a d’autre interprétation plausible que l’existence d’un ordre universel, si profond, si flexible, qu’on perçoit sa présence à tous les niveaux de la connaissance. Sa forme apparente s’étend et se transforme, se reconstitue différemment quand on sonde plus avant, mais l’ordre est toujours là. L’hypothèse la plus simple et la plus féconde revient alors à reconnaître qu’il existe, cet ordre, comme une évidence qui s’impose et dépasse l’humain. Comment le nommer ? Certains l’appellent « Dieu », mais le chargent alors d’une lourde métaphysique, de croyances millénaires et contradictoires, comme si l’on versait le vin nouveau dans des flacons antiques sans les remettre au four.

Le plus simple est d’admettre que l’ordre universel existe et possède sa propre structure que rien n’empêche d’appeler des Lois, avec la majuscule du respect. Les lois connues par l’homme, couchées dans son langage et inscrites dans sa raison, sont perçues différemment selon chaque siècle, elles sont comme un reflet de la structure intrinsèque de l’ordre qui va sans cesse en se précisant. Ainsi, pour conclure, je propose de reconnaître que le mystère de la science ne trouve un cadre approprié que dans une hypothèse métaphysique, celle de l’existence d’un ordre universel. Métaphysique, je dis bien et j’en admets la nécessité, mais une métaphysique d’une nouvelle espèce parce que minimale, sans ajout, la moindre des hypothèses, celle qui éclaire la connaissance et qui permet de donner un sens à la vérité sans prétendre qu’on la possède. « Les lois existent » est la formule la plus brève exprimant cela, ou en empruntant les mots de Rimbaud : « Elle est retrouvée. Quoi ? L’éternité ! »

La cohérence des lois

On a déjà eu l’occasion d’évoquer à plusieurs reprises la cohérence des lois. Elle se manifeste au niveau fondamental par leur structure très simple, construite sur les deux piliers de l’espace-temps et des quanta. Il est possible d’écrire leurs principes en quelques pages (sous forme d’équations, il est vrai) et d’en déduire, du moins en principe, les lois particulières régissant la plupart des propriétés de la matière et de l’espace-temps. On les retrouve, inchangées et fécondes, dans les sciences de la Terre, celles des planètes et dans l’astronomie. Personne ne prétend cependant que toutes les lois ou toutes les formes de la matière sont connues, et quelques beaux mystères viennent le rappeler (par exemple celui de la « matière noire » en astrophysique). Aussi, l’affirmation de la cohérence des lois n’est-elle pas un principe, mais une constatation empirique et une expectation jusqu’ici toujours satisfaite. On peut en dire autant à propos des sciences de la vie où tout indique que les mêmes lois sont à l’œuvre, mais où l’on espère toujours leur trouver de nouveaux aspects, des conséquences profondes ou des prolongements insoupçonnés. Rappelons enfin que la cohérence propre aux mathématiques répond en miroir à celle des lois de la nature, si l’on accepte l’hypothèse du physisme décrite au précédent chapitre.

Parmi les conséquences philosophiques de cette cohérence, on peut citer l’hypothèse de son lien direct avec l’origine du langage et de la raison humaine. Cette idée reprend en grande partie celles de John Locke et de David Hume à l’époque des Lumières, en les complétant par la connaissance de la préhistoire et de la neurophysiologie. Hume attribuait en effet la raison à l’influence des régularités de la nature sur les hommes, et à leur observation. On sait maintenant que ces régularités constituent une expression des lois, mais cela ne change pas le fond de la thèse. Le fonctionnement du cerveau montre qu’il faut tenir compte de l’évolution de l’espèce humaine et de celles qui nous ont précédé, mais l’adaptation des structures de ce cerveau aux régularités de la nature est si prodigieuse qu’il ne fait guère de doute que c’est là qu’il a puisé ses fonctions.

Il est vrai que passer de là au langage et à la raison représente un pas considérable, mais la recherche progresse peu à peu, empiriquement, dans cette direction. De toute manière, ces questions excèdent de loin mes compétences et si je les ai mentionnées, ce n’était que pour entrouvrir les possibilités immenses encloses dans la cohérence des lois.

Les lois et le temps

L’universalité des lois apparut d’abord par leur omniprésence, puisque la même dynamique découverte par Newton régissait les mouvements sur la Terre et ceux des planètes. Puis vinrent celles qui gouvernent l’émission et l’absorption de la lumière, avec les raies du spectre du soleil. Toute l’astrophysique actuelle concourt à la même constatation : les lois sont universelles.

Leur relation avec le temps est plus subtile. La stabilité des lois paraissait évidente tant qu’on supposait le monde âgé de quelques milliers d’années. Il en était ainsi à l’époque des Lumières et la majorité des rationalistes, suivant la voie ouverte par Descartes, voyaient les lois comme une action de la raison et celle-ci comme éternelle par essence. Les empiristes ne l’entendaient pas de cette oreille et rejetaient ces visions métaphysiques, à l’exemple de Hume, mais les lois qui résumaient pour eux les régularités du monde ne pouvaient qu’être intemporelles, comme ces régularités l’étaient. Ces points de vue ne changèrent guère au cours du XIX^e siècle, car la philosophie du déterminisme supposait alors des lois inviolables, qu’on identifiait d’ailleurs de plus en plus à des mécanismes, c’est-à-dire des propriétés intrinsèques à la matière. Cette stabilité dans la vision est d’autant plus remarquable que les transformations dues au temps s’imposaient à travers l’évolution des espèces et les longues transformations de la Terre au cours des époques géologiques. Malgré cela, la croyance en la permanence des lois demeurait intacte et semblait faire partie du « credo » de la science, ou d’un socle métaphysique.

Le XX^e siècle, dont on a vu qu’il fut le grand révélateur, maintint cette conviction au travers d’événements inouïs. Dès 1927, Einstein avait publié un travail étonnamment hardi où il appliquait les lois de la relativité générale à la totalité de l’espace-temps, c’est-à-dire à la fois l’univers et son histoire. Or nulle part on ne voit mieux la persistance de la vision statique du monde héritée de la philosophie, quand il crut nécessaire de retoucher les lois qu’il avait découvertes. Il constata que celles qu’il utilisait engendraient un espace variable, capable de se gonfler ou de se contracter, et se refusa à l’admettre. En considérant de plus près la dérivation mathématique des lois de la relativité générale, il nota qu’on pouvait leur ajouter un terme, comportant une certaine « constante cosmologique », sans rien changer aux principes. En choisissant convenablement cette constante, il pouvait obtenir un modèle d’univers éternel et permanent, et c’est ce qu’il proposa.

Mais peu de temps après, en 1929, Edwin Hubble publia ses observations de la récession des galaxies : plus celles-ci sont lointaines et plus rapidement elles s’éloignent de nous. D’autres études du comportement théorique global de l’univers avaient été faites dans l’intervalle par Robertson et Lemaître, et leurs résultats s’appliquaient avec élégance aux observations d’Hubble sans introduire de constante cosmologique (ou seulement des valeurs très faibles). La relativité générale s’accordait donc aisément avec une expansion de l’espace.

Vinrent ensuite les tentatives de Bondi et Hoyle pour stabiliser l’univers par une création continue de matière, puis la considération des débuts d’un univers en expansion par Gamow en 1948. Plus qu’une extrapolation hardie, sa théorie constituait en fait un test de la cohérence des lois connues, c’est-à-dire la physique nucléaire et non seulement la relativité générale. En remontant le film de l’expansion à l’envers, il constata qu’une densité de matière énorme avait dû être présente quelques minutes après l’origine du temps, sa concentration étant comparable à celle des noyaux et provoquant des réactions nucléaires. On pouvait expliquer ainsi l’origine de l’hélium qu’on trouve dans toutes les étoiles, mais la théorie prédisait surtout qu’un certain rayonnement thermique d’environ 3 000 degrés avait dû être émis quand les premiers atomes se formèrent, après quelques centaines de milliers d’années....

Table des matières

• Couverture
• Titre
• Copyright
• Préface
• Chapitre premier - Premiers pas dans la lumière
• Chapitre 2 - Les ondes
• Chapitre 3 - L’espace et le temps
• Chapitre 4 - L’espace-temps
• Chapitre 5 - Le monde quantique ou l’universalité du possible
• Chapitre 6 - Les secrets des formules
• Chapitre 7 - La couleur
• Chapitre 8 - La transmutation des lois
• Chapitre 9 - Le cerveau et l’abstraction
• Chapitre 10 - Qu’est-ce que les mathématiques ?
• Chapitre 11 - Les mathématiques en tant que lois
• Chapitre 12 - Les caractères des lois
• Chapitre 13 - Épilogue : les lois et les hommes
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