Méfiez-vous des « Théories de tout »
En 1931, Kurt Gödel avait prouvé son deuxième théorème d’incomplétude, qui stipule qu’un système logique formel ne peut pas se révéler cohérent. Ce théorème jette de l’eau froide sur la capacité ultime de prouver des « théories de tout”, devenues à la mode en physique théorique. Cela implique que toute théorie scientifique est incomplète.
Galileo Galilei a dépassé les limites de la logique pure et a soutenu que toute théorie physique prétendant décrire la réalité doit également faire des prédictions qui résistent à l’examen minutieux des expériences. Il a constaté expérimentalement, par exemple, que les objets lourds n’accélèrent pas plus vite que les objets légers sous l’influence de la gravité, comme on le pensait auparavant. Ce résultat a jeté les bases de la réalisation ultérieure d’Albert Einstein que la gravité n’est pas une force mais la courbure de l’espace-temps à laquelle tous les objets de test répondent de la même manière.
Le dicton de Galilée, basé sur l’humilité, a établi le fondement de la physique moderne au fil des ans. Mais une nouvelle culture de physiciens semble aujourd’hui remettre en question son rôle sous-jacent. Par exemple, le pionnier de la théorie de l’inflation cosmique, Alan Guth, a répondu lors d’une table ronde à ma question de savoir si l’inflation est falsifiable que cette théorie ne peut pas être prouvée fausse. Il a fait valoir que c’est un cadre mathématique, comme les théories de jauge, qui doit être valide, et que le rôle des expériences est simplement de fixer ses degrés de liberté flexibles. En d’autres termes, la théorie est suffisamment ajustable pour s’adapter à toutes les données expérimentales sur l’univers.
Mais si c’est le cas, l’inflation peut-elle être considérée comme une théorie physique qui obéit au dicton de Galilée ? Comment une théorie peut-elle prétendre expliquer le début de l’univers si elle ne peut être prouvée fausse par des données expérimentales hypothétiques? À ce jour, nous connaissons des histoires d’origine alternative pour notre univers, suggérant qu’il a peut-être subi un rebond d’une phase de contraction antérieure au big bang ou qu’il a commencé à partir d’un état initial spécial associé à la théorie des cordes. Dans deux articles que j’ai récemment écrits avec mon collègue de Harvard, Xingang Chen et ses collaborateurs, nous avons identifié un test expérimental qui a révélé des preuves provisoires dans le fond des micro-ondes cosmiques et pourrait favoriser des scénarios alternatifs par rapport au modèle d’inflation. En bref, il soumet l’inflation au dicton de Galilée.
Ce ne serait pas la première fois qu’une théorie mathématiquement ingénieuse ne parvient pas à capturer la réalité physique. Après tout, la théorie géocentrique ptolémaïque des épicycles était mathématiquement attrayante et son cadre était suffisamment large pour décrire le mouvement de toutes les planètes dans le ciel. Mais elle a finalement été désavantagée par rapport à la théorie héliocentrique newtonienne de la gravité car elle nécessitait un grand nombre de paramètres libres qui devaient être finement réglés individuellement pour chaque planète.
Malgré les leçons de l’histoire des sciences, l’idée que certaines théories physiques ne peuvent être réfutées et doivent être intrinsèquement vraies sur la base d’un raisonnement abstrait gagne toujours en popularité. D’autres exemples incluent l’existence hypothétique du ”multivers », la conjecture selon laquelle la réalité est une simulation informatique, les applications de la correspondance AdS / CFT au monde réel — qui n’est pas intégré dans un espace anti-Sitter (AdS) mais plutôt dans un espace presque de-Sitter d’une géométrie complètement différente, ou le nouveau concept de Stephen Wolfram d’une « théorie de tout ». » Suite à un colloque inspirant que Wolfram vient de donner à l’initiative Black Hole de Harvard, une pensée m’est venue à l’esprit: Si cette théorie prédit la masse la plus faible possible pour une particule élémentaire, nous pourrons la tester sur la base de données astrophysiques.
Le monde réel n’a aucune obligation de suivre nos plans, simplement parce qu’ils sont mathématiquement attrayants ou plus faciles à formuler qu’une alternative. Le meilleur exemple est la mécanique quantique, dont les principes fondamentaux s’écartaient qualitativement de la physique classique mais nous étaient imposés par des expériences. Après la formulation de la théorie quantique, Albert Einstein a débattu Niels Bohr contre son interprétation non classique inattendue, arguant dans une lettre de 1926 à Max Born que « De toute façon, je suis convaincu qu’Il ne joue pas aux dés. »Des expériences récentes ont prouvé que l’intuition d’Einstein était fausse.
La culture humaine est remplie de mythes. La science vise à corriger les théories préconçues en soulignant le rôle clé de la vérification expérimentale. La tendance naturelle des humains à suivre aveuglément les conjectures populaires devrait être modérée, car elle met des œillères sur notre vision scientifique et supprime les progrès dans la compréhension de la réalité.
La beauté mathématique est admirable, mais en essayant de comprendre la réalité, elle devrait être rétrogradée à la deuxième place par rapport aux preuves. La physique est un dialogue avec la nature — accompli par des tests expérimentaux de nos idées, et non un monologue dans lequel nous formulons nos « théories de tout” et nous reposons sur nos lauriers. Nous devons rester humbles, en gardant à l’esprit la preuve de Gödel que tous les systèmes mathématiques sont logiquement incomplets et la vision de Galilée que la plupart d’entre eux n’ont peut-être rien à voir avec la réalité.