Préalable : L’analyse de Bachelard

Avant d’expliciter les idées énoncées dans l’introduction, il est utile, en préalable, de rappeler quelques fondements de toute réflexion de ce type. G. Bachelard dans « Le nouvel esprit scientifique » débat des relations entre la théorie qu’il associe au rationalisme (la raison) et l’expérience qu’il associe au réalisme (la réalité physique)[1]. Nous en citons quelques extraits significatifs à propos du problème qui se pose.

Il commence son livre par la citation de Bouty que nous avons déjà évoquée :

« La science est un produit de l’esprit humain, produit conforme aux lois de notre pensée et adapté au monde extérieur. Elle offre donc deux aspects, l’un subjectif, l’autre objectif, tous deux également nécessaires, car il nous est aussi impossible de changer quoi que ce soit aux lois de notre esprit qu’à celles du monde ».

Il commente cette citation ainsi :

« Étrange déclaration métaphysique qui peut aussi bien conduire à une sorte de rationalisme redoublé qui retrouverait, dans les lois du monde, les lois de notre esprit [1_bis], qu’à un réalisme universel imposant l’invariabilité absolue « aux lois de notre esprit » conçues comme une partie des lois du monde ! »

Dans ces propos, deux interprétations « duales » sont posées. Faut-il faire le choix de l’une d’entre-elles ou sont-elles, au moins partiellement, intriquées?

Si on a pu penser jusqu’à l’aube du 20^ième siècle qu’on pouvait étudier indépendamment les deux options pour étudier la pensée scientifique, aujourd’hui le problème nous apparaît plus complexe et, comme le dit le philosophe:

« Lorsqu’il pousse la nature dans ses retranchements ultimes, l’humain découvre d’étranges empreintes.

Ce sont les siennes! »

En effet notre esprit n’est pas extérieur au monde que nous décrivons. Ceci nous incite à penser que, si l’étude de la nature de la connaissance est souhaitable à tous les niveaux du développement scientifique, elle devient incontournable, en incluant toutes les connaissances que nous avons acquises sur le fonctionnement de notre cerveau, en physique moderne (relativité, cosmologie, théorie des champs quantiques, mécanique quantique, …) où tous nos concepts familiers (temps, espace, déterminisme,..) sont bousculés, pour tenter d’en faire reculer la limite.

Sur le réalisme et le rationalisme (expérience et théorie)

« Il ne serait pas difficile de montrer, d’une part, que dans ses jugements scientifiques, le rationaliste le plus déterminé accepte journellement l’instruction d’une réalité qu’il ne connaît pas à fond et que d’autre part, le réaliste, le plus intransigeant procède à des simplifications immédiates, exactement comme s’il admettait les principes informateurs du rationalisme. Autant dire que pour la philosophie scientifique, il n’y a ni réalisme ni rationalisme, absolus et qu’il ne faut pas partir d’une attitude philosophique générale pour juger la pensée scientifique… Ainsi, dès qu’on médite l’action scientifique, on s’aperçoit que le réalisme et le rationalisme échangent sans fin leurs conseils… . Cette dualité résulte du fait que la philosophie des sciences est une philosophie qui s’applique, elle ne peut garder la pureté d’une philosophie spéculative. »

Bachelard soutient qu’on ne peut pas faire de choix exclusif entre les deux, car elles ne sont pas totalement séparables. Il explicite ce point de vue :

« Les instruments ne sont que des théories matérialisées. Il en sort des phénomènes qui portent de toutes parts la marque théorique. Après avoir formé, dans les premiers efforts de l’esprit scientifique, une raison à l’image du monde, l’activité spirituelle de la science moderne s’attache à construire un monde à l’image de la raison »

L’accès à la réalité physique, le réalisme, nécessite des instruments et des protocoles pour faire des mesures des différents paramètres et les confronter aux prédictions des théories, le rationalisme. Face à la complexité des phénomènes, des outils formels et des instruments complexes, adaptés à ces phénomènes sont nécessaires.

Pour être pertinents ils doivent intégrer « l’empreinte » du phénomène décrit par la théorie [2]. Soulignons que, en retour, la structure de ces outils formels et instruments nous renseigne sur la nature de la réalité appréhendée, ce qui permet de mieux les connaître et de perfectionner ces outils formels et instruments pour les rendre encore plus adaptés. C’est un exemple de processus de coopération itératif vertueux entre réalisme et rationalisme. L’adéquation des outils mathématiques formels se traduit en général par le fait que c’est avec ces outils que la formulation de la théorie est la plus simple. Sur l’hypothèse que cela résulte d’un morphisme structurel, on peut alors, à partir de la structure construite de l’outil l’attribuer également à l’objet, ce qui permet de mieux le connaître. Des exemples existent en relativité [3]  et en mécanique quantique.

Sur la nature de la pensée scientifique et sa portée

La véritable pensée scientifique est métaphysiquement inductive : Elle lit le complexe dans le simple, elle dit la loi à propos du fait, la règle à propos de l’exemple. Mais le passage de la mécanique newtonienne à la mécanique relativiste montre qu’on a suivi une induction transcendante et non pas amplifiante car rien dans la mécanique classique ne préfigurait la mécanique relativiste et la convergence en résultat pour les approximations en champ faible, statique n’est possible qu’au prix de mutilations et d’abandon de la physique relativiste…. La science ne vise pas seulement à l’assimilation des choses entre elles », mais aussi et avant tout à l’assimilation des esprits entre eux. »

C’est un autre aspect essentiel qui est invoqué dans ce propos. La connaissance scientifique n’a d’intérêt que si elle est partagée et si elle fait consensus, du moins parmi ce qu’on appelle la communauté scientifique.

Le constat est que, effectivement, les grandes théories physiques scientifiques réfutables comme la relativité et la mécanique quantique font l’objet d’un large consensus dans le monde. Comme l’histoire l’a montré, ces théories n’ont rien de définitif. On les considère comme la référence commune la plus achevée du moment, celle dont les prédictions de résultats concordent le mieux avec les vérifications expérimentales qu’on peut en faire.

On peut considérer que ces théories sont le patrimoine scientifique de l’humanité. Elle a ses institutions conservatrices (quelque fois, trop), académies des sciences, collèges, etc[4]. Son enseignement est généralement prodigué dans le cursus de l’enseignement supérieur en sciences. Cela assure sa diffusion et facilite l’adhésion des esprits.

Ce consensus n’était pas du tout évident car les humains, et les scientifiques particulièrement, sont plutôt individualistes. Si l’adhésion à un patrimoine scientifique est bénéfique pour la société, il ne faut pas en faire un dogme. L’exemple de la relativité générale a montré comment cela peut nuire à l’introduction de théories en rupture avec le corpus existant.

Il faut d’ailleurs souligner que ce consensus n’est pas unanime. Il existe des théories et approches différentes dont les tenants dénoncent cet état de fait comme une oppression, au motif que cela étouffe les initiatives et peut ainsi nuire à la progression de ces connaissances.

Là encore, pas de solution universelle, le discernement doit rester le critère primordial, la difficulté étant que face à une prolifération de théories, dont la plupart sont fantaisistes, il n’est pas simple de l’exercer efficacement !

Relation entre physique et mathématiques

Les théories physiques étant écrites en langage mathématique, il est naturel de se demander quelles sont les relations entre les deux. C’est une autre manière d’appréhender la dualité réalisme-rationalisme, tel qu’analysé par Bachelard

La théorie est un pur produit de notre esprit, à la différence de la réalité physique qui est quelque chose qui s’impose à nous, dont la perception première est empirique et confuse, dans laquelle nous essayons de trouver un ordre. Notre esprit fait donc l’hypothèse que cette réalité physique possède un ordre caché qu’il faut découvrir.

Remarquons qu’on pourrait défendre l’idée que la réalité physique n’a pas d’ordre caché et que c’est notre esprit qui, arbitrairement, lui en attribue un.

Mais alors on pourrait se demander comment une nature sans ordre pourrait accoucher d’esprits qui en ont un, à moins que ce qu’on appelle un ordre soit simplement constitué par les relations qui nous relient, par « filiation », à notre « mère » nature?

Peut-être qu’il existe des univers sans lois et sans conscience et que le nôtre serait une exception, mais ce débat reste ouvert.

Bien sûr il faudrait aussi s’intéresser à la nature des lois en physique et à la manière dont l’humanité en a pris progressivement conscience et a tenté de les identifier, mais ceci est un sujet, en soi, qui a suscité de nombreuses réflexions, voir le livre de R. Feynman « la nature des lois en physique », par exemple.

Par exemple, si Wigner trouve surprenant que les mathématiques soient aussi efficaces pour décrire la réalité physique empirique c’est que cet ordre, propre aux mathématiques, ne lui paraît pas forcement inhérent aux lois de la nature.

Restons sur la première hypothèse, généralement admise, et voyons comment elle a évolué.

Galilée pensait que le monde physique (phénomènes liés à la mécanique céleste et terrestre à l’époque) qu’il appelle « La Nature » était un « livre » écrit dans le langage des mathématiques.

Au milieu du 19^iéme siècle, l’idée était plutôt que ces phénomènes étaient régis par un livre écrit dans la syntaxe des mathématiques mais dont la signification, la sémantique, relevait de la physique.

En effet, si la syntaxe mathématique est bien définie, la sémantique mathématique qui se référerait à un réalisme mathématique est moins évidente car, comme Bachelard l’indique :

 « La mesure du réalisme mathématique se prend sur l’extension des notions plutôt que sur leur compréhension : Ainsi la ligne géodésique a plus de réalité que la ligne droite. La clé de voûte de l’évidence, c’est donc la forme algébrique. En somme, l’algèbre amasse toutes les relations et rien que les relations. C’est en tant que relations que les diverses géométries sont équivalentes. Autrement-dit encore, il s’agit de qualités relationnelles et nullement substantielles. »

La réalité physique

Si les mathématiques ne décrivent pas la réalité physique, comment la définir ?

Pour Bachelard : « La fonction métaphysique du réel c’est la conviction qu’une entité dépasse son donné immédiat et qu’on trouvera plus dans le réel caché que dans le donné évident. »

Concernant ce qu’on appelle la substance, ce dont les objets élémentaires, comme les particules élémentaires seraient faits, [5] il déclare :

« Ou bien la substance est un sujet logique de qualités et de relations indéfinissables, ou bien elle est un être en soi, indéfinissable, inconnaissable. L’existence de la substance est caractérisée par le fait qu’elle agit sur le monde : « quod non agil, non existit » (Leibnitz) ». 

Réalisme mathématique et réalité physique

Si le réalisme mathématique qui ne produit que des relations, est la syntaxe de la réalité physique, se pose le problème de l’incorporation de cette syntaxe dans la réalité physique. Ce qui est ainsi formulé par Bachelard :

« Mais, si ce ne sont pas les objets qui possèdent en eux la racine des relations, si ces objets ne reçoivent que plus tard des propriétés avec les relations imposées, on doit se demander avec d’autant plus de soin d’où proviennent ces relations »

Cette entrée en matière, qui extrait quelques propos de Bachelard de son livre, peut paraître un peu longue, mais il était difficile de l’amputer plus sans dégrader la richesse de sa pensée.

Après ces considérations générales sur ce qu’on peut attendre d’une réflexion sur la science, il convient de revenir sur le sujet de la cosmologie, son histoire a montré que les principales difficultés rencontrées par les scientifiques qui se sont attachés à la développer étaient d’ordre conceptuels.

Quand Einstein a publié sa théorie de la relativité restreinte, il était loin d’imaginer toutes les conséquences de son œuvre. Comme souvent, l’œuvre dépasse son créateur ! Ce n’est qu’au fur et à mesure de son développement que ces conséquences sont apparues, la plus déstabilisante étant la destruction du temps universel et de l’espace absolu au bénéfice de l’espace-temps, un nouveau concept totalement contre-intuitif, mais sans lequel les paradoxes de cette théorie sont inexplicables.

La relativité générale qui reprend ces concepts les généralise et en incorpore d’autres est le fondement de la cosmologie moderne.

Il est proposé de commencer par commenter cette théorie de la relativité pour s’attacher à mieux comprendre la physique qui est sous-tendue par ces théories, avant de s’attacher à des problèmes très spécifiques à la cosmologie, théorie de l’univers, entité unique qui, de plus, inclut celui qui le pense, situation très particulière.

Ceci est un extrait du livre « Vous avez dit Big Bang »

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[1] Bachelard n’est évidemment pas le seul à s’être intéressé au sujet qui a fait couler beaucoup d’encre, mais sa synthèse est assez représentative des idées généralement avancées.

[1_bis] Poussée à l’extrême, cette hypothèse laisse entendre que c’est notre esprit qui donnerait sa « cohérence », en le structurant, à un monde physique « amorphe » par des lois propres à notre esprit? Ces lois qui sont, alors, la manière de d’appréhender les structures qu’on lui a conférées, se retrouvent dans les structures ce qui serait la clé du succès de cette approche. On retrouve ce qu’on y a mis.

Étant partie de ce monde et constitué des mêmes briques élémentaires et soumis aux mêmes interactions fondamentales il faudrait alors se demander ce qui aurait alors conféré ces lois à notre esprit alors que le monde physique en semblerait dépourvu. Cela est concevable, car notre esprit résulte d’une combinaison et d’un assemblage apparemment très complexe de ces briques élémentaires et des interactions fondamentales associées. Reste à trouver un « moteur » pour constituer un tel assemblage, l’histoire de la vie sur Terre pouvant proposer un modèle.

Cette complexité du vivant est permise par les lois physiques, en particulier de la mécanique quantique. L’interaction électromagnétique permet une grande diversité de molécules de complexités très diverses. En interaction avec son environnement, par un processus darvinien de sélection, les configurations les plus performantes, en particulier dans l’appropriation des ressources en énergie vont émerger. Cela s’inscrit dans un contexte de survie, de reproduction et de domination. Comment d’autres spécificités, au delà de l’essentiel se sont-elles développées et ont-elles prospéré? Une possibilité est que cela ait commencé par les outils, d’abord simples, car comme cela a amplifié l’action de maîtrise de l’environnement, cela s’inscrit dans le schéma darvinien. Ceci a demandé une certaine capacité d’abstraction qui a pu se développer et aboutir à des machines, d’abord simples et de plus en plus complexes entrainant une augmentation de la capacité d’abstraction, d’observation de la nature et de son utilisation pratique. Nourri par la curiosité des esprits et peut-être aussi par leur cupidité, de proche en proche, les progrès de type « utilitaire » ont impliqué un raffinement de la pensée qui a pu prendre comme objet des éléments (art, sciences, etc.) qui n’étaient pas forcément utilitaires a priori .

Comme ces éléments ont été de nature à renforcer ceux qui les pratiquaient, elles leur ont donné un avantage qui, par la concurrence suscitée, a contribué à élever le niveau du monde sociétal.

Cela ne s’est pas fait sans conflits, mais ou les sociétés plus évoluées pouvaient avoir un avantage ou cet avantage est acquis par l’autre partie comme par exemple, Tamerlan, qui massacrait toute la population d’une cité qui lui résistait, mais en épargnait et s’appropriait les savants et érudits des « mastabas »: Tyran sanguinaire mais pas fou..

Cette parenthèse refermée , une autre hypothèse plus classique pour cette proposition dans la remarque de G. Bachelard, est plutôt de caractère restrictif.

Notre connaissance des lois de la nature est limitée par l’esprit du physicien. L’image que nous avons du monde, nos théories, est alors régie par notre esprit. Le monde lui-même est sans doute plus complexe comme par exemple décrit par l’allégorie de la caverne de Platon. De la mer nous percevons au mieux que l’écume, de la réalité que des ombres.

Le fait que l’utilisation des lois pour appréhender le monde est assez efficace, ce qui est un constat, même si ce n’est pas parfait, bien que nous ne manipulons que des ombres, pourrait venir du fait que ces ombres sont attachées ou au moins corrélées à la « réalité physique »et qu’en manipulant les ombres nous manipulons aussi, au moins partiellement, cette réalité…

[2] La recherche du boson de Higgs, qui a nécessité la construction d’un accélérateur de particules gigantesque (LHC), où toutes les mesures étaient orientées vers cette cible, en est un exemple typique.

[3] Par exemple le formalisme de Newmann-Penrose, en relativité générale, s’appuyant sur des coordonnées nulles (associées à la lumière, ce qui n’est pas trivial) simplifie considérablement la description de la famille des trous noirs.

[4] Cette organisation est typique de celles qu’on trouve dans les sociétés organisées, dans différents domaines.

[5] Le fait que les connaissances ultimes qu’on puisse acquérir sur les constituants et interactions élémentaires du monde physique le soient en termes de relations et seulement de relations est corroboré par les théories modernes.  La théorie des champs quantiques constituée de l’électrodynamique quantique, de l’interaction faible, de l’interaction électro-faible qui est l’unification des deux précédentes et de l’interaction forte est fondée sur des symétries décrites par les groupes mathématiques U(1) , SU(2),  SU(3) et des combinaisons de ces groupes et par l’algèbre de Lie associée à ces groupes. Le lien avec la matière, décrite par la mécanique quantique, se fait par des symétries locales, dites de jauge, qui décrivent le couplage de ces champs avec la matière. A noter que la gravitation, décrite par la relativité générale qui est une théorie classique, non quantifiée, bien qu’étant également une théorie de jauge, possède un formalisme qui lui est propre. Les tentatives d’unification des deux formalismes n’ont pas abouti pour l’instant.