Les deux erreurs d’Einstein
La recherche scientifique repose sur la correspondance entre la réalité de la nature – qui est appréhendée par des observations – et une représentation de cette réalité – formulée par une théorie en langage mathématique. Si toutes les conséquences qui découlent de la théorie sont expérimentalement vérifiées, elle est validée. Cette démarche suivie depuis près de quatre siècles a construit un ensemble cohérent de connaissances. Mais ces avancées se réalisent grâce à l’intelligence humaine, qui garde malgré tout ses croyances, voire ses préjugés. Ceci peut affecter la marche de la science même parmi les plus grands savants.
La première erreur
Dans son grand œuvre que représente la relativité générale, Einstein écrit l’équation décrivant l’évolution de l’univers en fonction du temps. La solution de cette équation indique un Univers instable : l’Univers ne serait pas une grosse sphère à volume constant sur laquelle glissent les étoiles, comme on le croyait alors.
Au début du XXe siècle, tous vivaient avec l’idée bien ancrée d’un Univers statique où le passage des astres se répète inlassablement. C’est une probable conséquence de l’enseignement d’Aristote : le firmament est immuable, au contraire de la Terre périssable. Une anomalie historique en découla : alors qu’en l’an 1054, les Chinois notèrent l’apparition d’une nouvelle lumière dans le ciel, aucun document européen ne la mentionne. Et pourtant elle se voyait en plein jour et dura plusieurs semaines. C’était une supernova, c’est-à-dire la fin d’une étoile, dont il reste la nébuleuse du Crabe, toujours visible. La pensée prédominante en Europe empêchait d’accepter un phénomène si contraire à un ciel immuable. Une supernova est un événement très rare, on en observe un par siècle à l’œil nu la dernière remontant à 1987 – Aristote avait presque raison de penser le ciel immuable, à l’échelle d’une vie humaine du moins.
La nébuleuse du Crabe, observée aujourd’hui dans différentes longueurs d’onde, n’a pas été consignée par les Européens lors de son apparition en 1054. Torres997/Wikimedia, image radio : NRAO/AUI et M. Bietenholz, J.M. Uson, T.J. Cornwell ; infrarouge : NASA/JPL-Caltech/R. Gehrz, University of Minnesota ; visible : NASA, ESA, J. Hester et A. Loll, Arizona State University ; ultraviolet : NASA/Swift/E. Hoversten, PSU ; rayons X : NASA/CXC/SAO/F.Seward et collaborateurs ; rayons gamma : NASA/DOE/Fermi LAT/R. Buehler., CC BY-SA
Pour rester en accord avec un Univers statique, Einstein introduisit dans ses équations une constante cosmologique qui gelait l’état de l’Univers. Manque d’intuition : quand Hubble en 1929 démontra que l’Univers grossissait, Einstein admit avoir fait « sa plus grosse erreur ».
Le hasard quantique
En parallèle avec la relativité se développa la mécanique quantique, qui décrit la physique de l’infiniment petit. Einstein y contribua fortement en interprétant dès 1905 l’effet photoélectrique comme étant une collision entre électrons et photons, c’est-à-dire d’infinitésimaux grains d’énergie. En d’autres termes, la lumière, que l’on décrit traditionnellement comme une onde, se comporte comme un flux de particules. C’est cette avancée, et non la théorie de la relativité, qui vaudra à Einstein le Prix Nobel en 1921.
Mais malgré cette contribution essentielle, il s’obstina à refuser la leçon majeure de la mécanique quantique : le monde des particules ne se soumet pas au déterminisme strict de la physique classique. Le monde quantique est probabiliste : on ne sait que prédire une probabilité de réalisation parmi un ensemble de possibles.
Dans l’aveuglement d’Eintein, on peut à nouveau invoquer l’influence de la philosophie grecque : Platon enseignait que la pensée devait rester idéale, libre des contingences de la réalité. Une noble idée mais qui ne suit pas les préceptes de la science – une connaissance demande une concordance parfaite avec tous les faits prédits tandis qu’une croyance se fonde sur une vraisemblance, fruit d’observations partielles. Einstein lui-même était convaincu que la pensée pure est capable de saisir tout le réel, or le hasard quantique contredit cette hypothèse.
En pratique, ce hasard n’est pas quelconque, il est contraint par les relations d’incertitudes de Heisenberg, qui imposent un déterminisme collectif aux populations de particules : un électron est libre individuellement puisqu’on ne sait pas calculer sa trajectoire à la sortie d’un trou, mais un million d’électrons dessinent une figure de diffraction montrant des franges sombres et lumineuses qu’on sait calculer.
Résultat d’une expérience d’interférences dites de « Young » : le motif se forme au fur et à mesure de l’arrivée des électrons : 8 électrons sur la photo a, 270 sur la photo b, 2000 sur la photo c, et 60 000 sur la photo d, pour finalement former des franges verticales appelées franges d’interférence. Dr Tonomura/Wikimedia, CC BY-SA
Einstein ne voulait pas admettre cet indéterminisme élémentaire, ce qu’il résuma dans un provocant verdict : « Je refuse de croire en un Dieu qui joue aux dés avec le monde. » Il invoqua l’existence de variables cachées, c’est-à-dire des grandeurs encore à découvrir au-delà des masse, charge et spin dont les physiciens se servent pour donner une description des particules. Mais l’expérience ne lui donna pas raison. Il faut accepter l’existence d’une réalité qui transcende notre compréhension : on ne peut pas tout savoir du monde infiniment petit.
Les caprices fortuits de l’imagination
Albert Einstein tire la langue le jour de son 72ᵉ anniversaire. Arthur Sasse/AFP
Dans le processus de la démarche scientifique, il demeure une étape qui n’est pas totalement objective, c’est celle qui amène à la conceptualisation d’une théorie et Einstein avec ses expériences de pensée en donne un illustre exemple. Lui-même déclara : « L’imagination est plus importante que le savoir. » En effet, un physicien doit, à partir d’observations disparates, imaginer une loi sous-jacente. Parfois plusieurs modèles théoriques sont proposés parmi lesquelles il faut choisir, c’est seulement à cette étape que la logique reprend le pouvoir.
« L’intelligence n’a rien à trouver, elle a à déblayer. Elle n’est bonne qu’aux tâches serviles. » (Simone Weil, « La pesanteur et la grâce »)
Ainsi le progrès des idées est tributaire de ce qu’on appelle l’intuition. C’est une sorte de saut dans la connaissance qui dépasse la pure rationalité. La frontière entre objectif et subjectif n’est plus complètement étanche. Les pensées prennent leur source au niveau des neurones sous l’effet d’impulsions électromagnétiques et parmi elles certaines sont particulièrement fécondes comme si un court-circuit naissait entre cellules, le hasard est à la manœuvre.
Mais ce ne sont pas les mêmes intuitions, ces « fleurs » de l’esprit humain, qui apparaissent dans le cerveau d’Einstein et dans celui de Proust. L’un engendrera E=mc2 et l’autre une admirable métaphore. L’intuition s’invite aléatoirement mais ce hasard est contraint par l’expérience, la culture, le savoir de chacun.
Les bénéfices du hasard
Qu’il y ait une réalité au-delà de notre seule intelligence ne devrait pas nous choquer. Sans hasard, nous sommes menés par nos instincts, nos habitudes, par tout ce qui nous rend prédictibles. Notre action est confinée presque exclusivement dans ce premier niveau de réalité avec ses soucis ordinaires et ses occupations obligatoires. Mais il existe un autre niveau, celui dont le hasard apparent est la marque.
« Jamais aucun effort administratif ou scolaire ne remplacera les miracles du hasard auquel on doit les grands hommes. » (Honoré de Balzac, « Le cousin Pons »)
Einstein donne l’exemple d’un esprit inventif et libre, et pourtant il garde ses préjugés. Sa « première erreur » peut se résumer en « Je refuse de croire en un commencement de l’Univers ». Pourtant, l’expérience lui donna tort. Son verdict sur Dieu jouant aux dés signifie : « Je refuse de croire au hasard ». Pourtant la mécanique quantique implique un hasard obligatoire. On peut d’ailleurs se demander s’il croirait en Dieu dans un monde sans hasard, ce qui ôterait beaucoup à notre liberté puisqu’alors nous serions confinés dans un déterminisme absolu. Einstein s’obstine dans son refus car, pour lui, le cerveau humain doit être capable de savoir ce qu’est l’Univers. Beaucoup plus modestement, Heisenberg lui répond : la physique se limite à décrire comment la Nature réagit dans des circonstances définies.
La théorie quantique démontre que la compréhension totale ne nous est pas permise. En retour elle nous offre le hasard avec ses frustrations, ses dangers mais aussi ses bienfaits.
« L’homme n’échappe aux lois de ce monde que la durée d’un éclair. Instants d’arrêt, de contemplation, d’intuition pure… c’est par ces instants qu’il est capable de surnaturel. » (Simone Weil, « La pesanteur et la grâce »)
Le légendaire physicien est l’exemple de l’être imaginatif par excellence. Son refus du hasard est donc un paradoxe puisque c’est lui qui rend possible l’intuition, amorce du processus de création.