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Pourquoi la physique est-elle une belle science ?

CAMBRIDGE – Le physicien du XIXème siècle Heinrich Hertz a autrefois expliqué l'impression qu'il a éprouvée face aux équations de James Clerk Maxwell, qui décrivent les principes fondamentaux de l'électricité et du magnétisme, qui « ont une existence indépendante et une intelligence propres, qui sont plus sages (…) même que leurs découvreurs, et dont nous tirons plus de choses par rapport à ce que nous y avons mis au départ. » Peu de temps après, Albert Einstein a décrit le modèle atomique de Niels Bohr comme étant « la plus haute forme de musicalité appartenant au domaine de la pensée. » Plus récemment, le défunt prix Nobel Richard Feynman, en décrivant sa découverte de nouvelles lois de la physique, a déclaré : « On peut reconnaître la vérité à sa beauté et à sa simplicité. » Des sentiments semblables sont quasiment universels parmi les physiciens modernes.

Pour produire des iPhones qui fonctionnent, des photographies de Pluton ou des bombes atomiques, il ne suffit pas de prendre ses désirs pour des réalités. La physique, qui se résume à quelques lois mathématiques précises, fonctionne indiscutablement. Pourtant de nombreuses choses qui « fonctionnent » n'inspirent pas le même genre d'admiration que les lois fondamentales de la nature.

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Leur beauté s'enracine d'abord dans la symétrie des lois, qui signifie ici la possibilité du changement sans changement : un concept précis et pourtant quasi mystique. Tout comme un cercle peut pivoter autour de son centre à un angle quelconque, changer la position de chacun de ses points sans changer sa forme, des lois de symétrie s'appliquent à des situations modifiées sans modifier ni perdre leur validité. Par exemple, la relativité restreinte affirme que les lois fondamentales de la physique restent les mêmes lorsque nous voyons le monde depuis une plate-forme qui se déplace à vitesse constante. De même, la symétrie de traduction dans le temps code l'uniformité des lois physiques dans le temps : même quand l'univers vieillit, les lois restent les mêmes.

La deuxième source de beauté dans les lois de la physique est leur productivité : ce que j'appelle leur exubérance. Une poignée de principes de base génère une étonnante richesse de conséquences : l'ensemble du monde physique ! Les équations des théories fondamentales de la physique (connues sous le terme de modèle standard), tiennent sans trop de peine sur un T-shirt. Pour paraphraser Hertz, elles nous rendent bien plus de choses par rapport à ce que nous y avons mis au départ.

Il est important de remarquer que les lois de la physique n'ont pas besoin nécessairement d'avoir de telles propriétés merveilleuses. Considérez cette situation hypothétique : des développements dans la puissance des ordinateurs, la réalité virtuelle et l'intelligence artificielle permettent la création d'êtres pensants dont le « monde » est, de notre point de vue, une simulation programmée. Si un Super Mario doté d'une pensée réflexive commençait à analyser les lois de son monde, il y trouverait très peu de symétrie ou de productivité. Au lieu de cela, il trouverait une vaste collection de règles bizarres originales ayant de vagues relations entre elles et reflétant les caprices du programmeur.

La beauté de la loi physique est trop impressionnante pour être accidentelle. Elle a conduit les gens à travers l'histoire à croire qu'un être plus élevé et de bon goût nous avait créés, et que nous habitions un monde conçu par une conscience, comme notre Super Mario imaginaire. Mais cela est une hypothèse extravagante, qui va bien au-delà des faits qu'elle est censée expliquer. Avant de l'adopter, nous devons explorer des solutions de rechange plus économiques.

La réponse est probablement à notre portée. Les belles choses sont celles qui nous font éprouver du plaisir et que nous recherchons. Elles sont, en termes neurobiologiques, des choses qui stimulent notre système de récompense. Cela explique pourquoi les parents ont tendance à trouver beaux leurs jeunes enfants et pourquoi les adultes sont attirés par les modèles nubiles et par leurs images. Du point de vue de l'évolution, il est logique de récompenser de tels sentiments.

L'utilité pour l'évolution de la beauté des lois physiques est un peu moins évidente, mais non moins réelle. Compte tenu de l'utilité d'évaluer avec précision les conséquences de nos actions, notre système de récompense a évolué de telle sorte que nous éprouvions de la joie quand nous faisons des prédictions réussies. Comprendre les forces et les modèles qui définissent notre monde, en particulier les principes qui s'appliquent (sans changement) à une grande variété de situations, peut aider à améliorer nos prévisions. Le fait que nous puissions souvent déduire le comportement d'objets ou de systèmes complexes à partir de la connaissance de leurs parties (que nous en tirions davantage de choses que ce que nous y en avons mis), peut nous aider à parfaire nos prédictions.

En bref, parce que l'évolution nous prédispose à trouver belles ces choses qui nous aident à comprendre le monde correctement, ce n'est pas par hasard si nous trouvons belles les lois correctes de la nature. Vue sous cet angle, la beauté apparente des lois de la physique (notre attirance pour leur symétrie et l'exubérance), n'a rien de surprenant.

Ce qui reste mystérieux est la raison pour laquelle elles sont compréhensibles. Un lien profond entre la beauté et la compréhensibilité est une source importante de progrès scientifique. Les frontières actuelles de la physique fondamentale sont très éloignées de l'expérience quotidienne. Leur accès expérimental est difficile et coûteux et nous ne pouvons pas compter sur notre intuition pour combler les lacunes. L'accumulation patiente des faits préconisée par Francis Bacon, Isaac Newton et Sherlock Holmes n'est donc plus de mise.

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Au lieu de cela, nous inversons le processus, en utilisant des conjectures pour motiver expérience. Nous construisons d'abord de belles équations, nous en dérivons ensuite leurs conséquences et finalement, nous concevons des expériences pour les vérifier. Au cours des dernières décennies, cette stratégie a été remarquablement couronnée de succès. Elle nous a donné la chromodynamique quantique, qui résout le problème central de la physique nucléaire, ainsi que la prévision de la particule de Higgs et bien d'autres découvertes.

Plutôt que de reconnaître la beauté de lois découvertes par d'autres moyens, nous utilisons les principes de la beauté (une grande symétrie et un taux élevé de production par rapport aux coûts), pour permettre la découverte. Lorsque cela fonctionne, nous obtenons une explication « anthropique » des lois de la beauté : si ces lois n'étaient pas belles, nous ne les aurions pas trouvées.