Murray Gell-Mann sur la beauté et la vérité en physique

Merci d'avoir accroché là des photos de mes collègues. (Rires). On va parler d'eux. Bon, je vais tenter une expérience. Je ne fais pas d'expériences normalement. Je suis théoricien. Mais je vais voir ce qui arrive si j'appuie sur ce bouton. Voilà. OK. Je travaillais autrefois dans ce domaine des particules élémentaires. Qu'est-ce qui arrive à la matière si on la découpe en tout petits morceaux ? De quoi c'est fait ? Et les lois qui régissent ces particules sont valides dans tout l'Univers, et elles sont profondément connectées à l'histoire de l'Univers.

On en sait beaucoup sur quatre forces. Il doit y en avoir plus, mais à des distances très, très courtes, et on n'a encore pas vraiment interagi beaucoup avec elles. Ce que je veux dire principalement, c'est ceci : on a fait la remarquable expérience dans ce domaine de la physique fondamentale que la beauté est un excellent critère pour choisir la bonne théorie. Et pourquoi diable en serait-il ainsi ?

Bon, voici un exemple tiré de ma propre expérience. En fait, c'est assez spectaculaire que ça arrive. Trois ou quatre d'entre nous, en 1957, ont avancé une théorie presque complète sur l'une de ces forces, la force faible. Et elle était en désaccord avec sept -- sept, vous pouvez les compter, sept expériences. Les expériences étaient toutes fausses.

Et on avait publié avant de savoir ça, parce qu'on s'était dit c'est si joli, ça doit être correct ! Les expériences devaient être fausses, et elles l'étaient. Bon, notre ami là-bas, Albert Einstein, portait très peu d'attention quand les gens disaient : « Vous savez, quelqu'un a fait une expérience qui semble être en désaccord avec la relativité restreinte. D. C. Miller. Alors ? » Et lui, il répondait : « Oh ! Ça va passer. » (Rires)

Alors, pourquoi ce genre de truc marche ? C'est ça, la question. Alors, qu'est-ce qu'on entend par « joli » ? C'est une chose. Je vais essayer de faire clair... quasiment clair. Pourquoi ça devrait marcher et est-ce que cela a à voir avec les êtres humains ? Je vais vous révéler la réponse à cette dernière question. C'est que ça n'a rien à voir avec les êtres humains. Quelque part sur une autre planète, en orbite autour d'une étoile très lointaine, peut-être dans une autre galaxie, il pourrait très bien y avoir des êtres au moins aussi intelligents que nous, et qui s'intéressent à la science. Ce n'est pas impossible ; je pense qu'il y en a probablement des tas.

Il n'y en a sûrement pas d'assez proches pour interagir avec nous. Mais ils pourraient très bien être quelque part là haut. Et supposons qu'ils aient, disons, un dispositif sensoriel très différent, etc. Qu'ils aient sept tentacules, de drôles de petits yeux à facettes, et un cerveau en forme de pretzel. Est-ce qu' ils auraient vraiment des lois différentes ? Il y a beaucoup de gens qui le croient, et je pense que c'est des balivernes. Je pense qu'il y a des lois dans ce monde, et qu'on ne les connaîtra jamais très bien à quelque moment que ce soit -- mais on essaie. Et on essaie de s'en approcher de plus en plus.

Et un jour, on pourrait en fait découvrir la théorie fondamentale unifiée des particules et des forces, que j'appelle la « loi fondamentale. » On n'en est peut-être même pas très loin. Mais même si on ne tombe pas sur la durant cette vie, on peut quand même penser qu'il y en a une, et on essaie juste de s'en rapprocher de plus en plus. C'est ça, je crois, le point principal. On exprime ces choses en termes mathématiques. Et quand les mathématiques sont très simples, quand, à l'aide d'une certaine notation mathématique, on peut écrire la théorie dans très peu de place, sans trop de complications, c'est essentiellement ce qu'on entend par « beauté » ou « élégance ».

Voici ce que je disais sur les lois. Elles sont vraiment là. Newton le croyait certainement. Et il a dit, voici : « c'est l'affaire de la philosophie naturelle de découvrir ces lois. » La loi de base, disons... Voici une supposition. La supposition, c'est que la loi de base a la forme d'une théorie unifiée de toutes les particules. Alors, il y en a qui appellent ça une théorie de tout. C'est faux ; parce que la théorie est quantique. Et je ne vais pas m'attarder sur la mécanique quantique, comment c'est, et ainsi de suite. Vous avez déjà entendu beaucoup de choses fausses là-dessus, de toutes façons. (Rires). Il y a même des films là-dessus plein de trucs faux.

Mais le point principal ici, c'est qu'elle prédit des probabilités. Alors, quelques fois, ces probabilités sont presque certaines. Et dans un bon nombre de cas familiers, elles sont certaines, bien sûr. Mais d'autres fois, elles ne le sont pas, et vous avez juste des probabilités pour les différents résultats. Donc, ce que ça veut dire, c'est que l'histoire de l'Univers n'est pas déterminée seulement par la loi fondamentale. Il y a la loi fondamentale et cette incroyablement longue série d'accidents, ou coups du hasard, qui sont là en plus.

Et la théorie fondamentale n'inclut pas ces coups du hasard ; ils s'y ajoutent. Donc ce n'est pas une théorie de tout. Et en fait, une énorme part de l'information dans l'Univers autour de nous vient de ces accidents, et pas seulement des lois fondamentales. Alors, on dit souvent que s'approcher de plus en plus des lois fondamentales en examinant des phénomènes aux basses énergies, puis à des énergies plus hautes, et puis à des énergies encore plus hautes, ou à de courtes distances, puis à des distances plus courtes, et à des distances encore plus courtes, ainsi de suite, c'est comme peler un oignon. Et on continue de le faire, et on construit des machines plus puissantes, des accélérateurs de particules. On regarde de plus en plus profondément dans la structure des particules, et de cette manière, on s'approche probablement de plus en plus de cette loi fondamentale.

Alors, ce qui arrive quand on fait ça, quand on retire les couches de l'oignon, et quand on se rapproche de la loi qui les sous-tend, on voit que chaque couche a quelque chose en commun avec la précédente, et avec la suivante. On les écrit en termes mathématiques, et on voit qu'elles utilisent des mathématiques très similaires. Elles requièrent des mathématiques très similaires. C'est absolument remarquable, et c'est un point central de ce que je veux dire aujourd'hui. Newton appelait ça -- c'est Newton, au fait, celui-là.

Celui-ci c'est Albert Einstein. Salut Al ! Enfin, il parlait de « la Nature conforme à elle-même » -- en la personnifiant. Et donc ce qui arrive, c'est que les nouveaux phénomènes, les nouvelles couches, sous les couches un petit peu plus minces de l'oignon, et qu'on finit par atteindre, ressemblent aux couches un peu plus épaisses. Et le type de mathématiques qu'on avait pour la couche précédente est presque le même que ce qu'on a besoin pour la prochaine couche. Et c'est pour ça que les équations ont l'air si simple. Parce qu'elles utilisent des mathématiques qu'on a déjà.

Voici un exemple trivial : Newton a découvert la loi de la gravité, qui varie comme l'inverse du carré de la distance séparant les objets pesants. Coulomb, en France, a découvert la même loi pour les charges électriques. Voilà un exemple de cette similarité. Vous observez la gravité, vous voyez une certaine loi. Puis vous observez l'électricité. Et voilà. La même règle. C'est un exemple très simple. Il y a plein d'exemples plus sophistiqués. La symétrie est très importante dans cette discussion. Vous savez ce que ça veut dire. Un cercle, par exemple, est symétrique sous les rotations autour de son centre. Vous faites une rotation autour du centre du cercle, le cercle reste inchangé. Vous prenez une sphère, en trois dimensions ; vous faites une rotation autour du centre de la sphère, et toutes ces rotations laissent la sphère tranquille. Ce sont des symétries de la sphère. Donc on dit, en général, qu'il y a une symétrie sous certaines opérations si ces opérations laissent le phénomène, ou sa description, inchangé.

Les équations de Maxwell sont bien sûr symétriques sous les rotations de tout l'espace. Ça ne fait rien si on tourne tout l'espace d'un angle quelconque, ça ne laisse pas le -- ne change pas le phénomène électrique ou magnétique. Il y a eu une nouvelle notation au XIXe siècle qui exprimait ceci, et si vous utilisez cette notation, les équations deviennent bien plus simples. Et puis Einstein, avec sa théorie de la relativité restreinte, a étudié tout un groupe de symétries des équations de Maxwell, ce qu'on appelle la relativité restreinte. Et ces symétries rendent donc les équations encore plus courtes, et même plus jolies.

Voyons-les. Vous n'avez pas besoin de savoir ce qu'elles signifient, ça ne fait pas de différence. Mais vous pouvez juste regarder la forme. (Rires). Vous pouvez regarder la forme. Vous voyez au-dessus, tout en haut, une longue liste d'équations avec trois composantes pour les trois directions de l'espace : x, y et z. Puis, avec l'analyse vectorielle, vous utilisez la symétrie de rotation, et vous obtenez cet ensemble suivant. Puis vous utilisez la symétrie de la relativité restreinte et vous obtenez un ensemble encore plus simple là en bas, qui illustre de mieux en mieux la symétrie. Plus vous avez de symétries, plus vous pouvez illustrer la simplicité et l'élégance de la théorie.

Sur les deux dernières équations, la première exprime que les charges électriques et les courants engendrent tous les champs électriques et magnétiques. L'équation suivante, la seconde, exprime qu'il n'y a pas d'autre magnétisme que celui-là. Le magnétisme vient seulement des charges électriques et des courants. Un jour on pourrait trouver une petite brèche dans cet argument. Mais pour le moment, c'est comme ça.

Alors, il y a eu un développement très excitant dont beaucoup de gens n'ont pas entendu parler. Ils auraient dû en entendre parler mais c'est un peu ardu d'en expliquer les détails techniques, donc je ne vais pas le faire. Je vais juste le mentionner. (Rires). Chen Ning Yang, que nous appelions « Frank » Yang -- (Rires) -- et Bob Mills ont avancé, il y a 50 ans, une généralisation des équations de Maxwell, avec une nouvelle symétrie. Une toute nouvelle symétrie. Des mathématiques très similaires, mais il y avait une toute nouvelle symétrie. Ils espéraient que ça pourrait contribuer d'une manière ou d'une autre à la physique des particules Mais non. Ça n'a pas contribué en soi à physique des particules.

Mais ensuite, certains d'entre nous l'ont généralisée un peu plus. Et là, ça a contribué ! Et ça a donné une très belle description de la force forte et de la force faible. Donc là nous répétons ce que nous avons dit tout à l'heure : que chaque couche de l'oignon montre une similarité avec les couches adjointes. Donc les mathématiques des couches adjointes sont très similaires aux mathématiques de la nouvelle couche. Et par conséquent, c'est beau. Parce qu'on sait déjà comment l'écrire d'une façon agréable et concise.

Donc voici les principes. Nous pensons qu'il y a une théorie unifiée qui sous-tend toutes les régularités. Les étapes vers l'unification illustrent la simplicité. La symétrie illustre la simplicité. Et puis il y a une auto-similarité à travers les échelles -- autrement dit, d'une couche de l'oignon à l'autre. Une auto-similarité de proximité. Et c'est ce qui explique ce phénomène. Ça explique pourquoi la beauté est un bon critère pour choisir la bonne théorie.

Voici ce que Newton en personne a dit : « La Nature est très consonante et conforme à elle-même. » Une chose à laquelle il pensait, que la plupart d'entre nous aujourd'hui prend pour acquise, mais en son temps, ça n'était pas évident. Il y a cette histoire, qui n'est peut-être pas complètement vraie, mais beaucoup l'ont racontée. Quatre sources la relatent. Quand il y avait la peste à Cambridge, et qu'il était descendu à la ferme de sa mère, parce que l'université était fermée, il a vu une pomme tomber d'un arbre, ou sur sa tête, ou quelque chose comme ça. Et il a réalisé soudain que la force qui attirait la pomme vers la Terre pouvait être la même que la force qui régit le mouvement des planètes et de la lune.

C'était une grande unification à l'époque, bien qu'aujourd'hui on prenne ça pour acquis. C'est la même théorie de la gravité. Donc il a dit que ce principe de la nature, la consonance : « Ce principe de la nature étant très éloigné des conceptions des philosophes, je me suis abstenu de le décrire dans ce livre, de peur d'être tenu pour un original extravagant... » On doit tous faire attention à ça. (Rires). Surtout à cette rencontre. « ... et ainsi influencer mes lecteurs contre toutes ces choses qui sont le principal dessein de ce livre. »

Alors, qui aujourd'hui irait dire que c'est juste de la suffisance de la part de l'esprit humain ? Que la force qui provoque la chute de la pomme vers le sol est la même force qui fait tourner les planètes et la lune, et ainsi de suite ? Tout le monde sait ça. C'est une propriété de la gravitation. Ce n'est pas quelque chose dans l'esprit humain. L'esprit humain peut l'apprécier, bien sûr, en profiter, l'utiliser, mais ce n'est pas -- Ça ne provient pas de l'esprit humain. Ça vient du caractère de la gravité. Et c'est vrai pour tout ce dont je parle ici. Ce sont des propriété de la loi fondamentale. La loi fondamentale est telle que les différentes couches de l'oignon se ressemblent, et donc les mathématiques d'une couche permettent d'exprimer joliment et simplement le phénomène de la prochaine couche.

Je vous le dis, Newton a fait beaucoup cette année-là : la gravité, les lois du mouvement, l'analyse et la lumière composée de toutes les couleurs de l'arc-en-ciel. Et il aurait pu écrire une sacrée dissertation sur « Ce que j'ai fait pendant les vacances d'été. » (Rires). Donc on n'est pas obligé de présumer que ces principes sont des postulats métaphysiques séparés. Ils découlent de la théorie fondamentale. Ce sont ce qu'on appelle des propriétés émergentes. Vous n'avez pas besoin... Vous n'avez pas besoin de plus pour obtenir plus. C'est ça que « émergence » veut dire.

La vie peut émerger de la physique et de la chimie, plus beaucoup d'accidents. L'esprit humain peut provenir de la neurobiologie et beaucoup d'accidents, la façon dont la liaison chimique découle de la physique et certains accidents. Ça ne diminue pas l'importance de ces sujets de savoir qu'ils proviennent de choses plus fondamentales, plus des accidents. C'est une règle générale et c'est d'une importance critique de le comprendre. Vous n'avez pas besoin de plus pour obtenir plus. Les gens n'arrêtent pas de me demander ça quand ils lisent mon livre « le Quark et le jaguar ». Il disent : « N'y a-t-il pas quelque chose au-delà de ce que vous avez là ? » Je suppose qu'ils pensent à quelque chose de surnaturel. De toutes façons, il n'y a rien. (Rires). Vous n'avez pas besoin de plus pour expliquer quelque chose de plus. Merci beaucoup. (Applaudissements).