Le Repaire des Sciences
Sciences Physiques et Chimiques

 

 

 

 

     La notion de théorie scientifique selon S. Hawking
 

 

 

 

          Pour discuter de la nature de l’Univers et examiner des questions telles que son commencement ou sa fin, sortes de synthèses de questions plus éparpillées (électromagnétisme, mécanique, thermodynamique …) dont se charge la Physique d’aujourd’hui, il nous fait bien comprendre ce qu’est une théorie scientifique. Considérons l’opinion naïve selon laquelle une théorie est un modèle d’Univers (ou d’une partie limitée de l’Univers) et un ensemble de règles mettant en relation des quantités issues du modèle et des observations. Elle n’existe que dans notre esprit et ne peut avoir d’autre réalité (quelle qu’en soit la signification). Une théorie sera valable si elle satisfait aux deux conditions suivantes : décrire avec exactitude une vaste catégorie d’observations sur la base d’un modèle qui ne contient que quelques éléments arbitraires, et faire des prédictions précises concernant les résultats d’observations futures. Par exemple, la théorie aristotélicienne selon laquelle tout était fait de quatre éléments (la terre, l’air, le feu et l’air) était suffisamment simple pour effectuer des descriptions, mais elle ne permettait pas de prédiction précise. La théorie de la gravitation de Newton était fondée, elle sur un modèle encore plus simple et tranché, dans lequel les corps s’attiraient l’un l’autre selon une force proportionnelle à une quantité appelée leur masse et inversement proportionnelle au carré de la distance entre eux. Cependant, elle prédisait les mouvements du Soleil, de la Lune et des planètes avec un haut degré d’exactitude.

         Toute théorie physique est toujours provisoire en ce sens qu’elle n’est qu’une hypothèse : vous ne pourrez jamais la prouver. Peu importe le nombre de fois où les résultats d’une expérience s’accorderont avec une théorie donnée ; vous ne pourrez jamais être sûr que, la fois suivante, ce résultat ne la contredira pas. Vous pouvez également réfuter une théorie en trouvant une observation unique qui ne cadre pas avec ses prédictions. Comme le philosophe des sciences Karl Popper l’a souligné, une bonne théorie se caractérise par le fait qu’elle fait un certain nombre de prédictions qui pourraient en principe être réfutées ou rendues fausses par l’observation. Chaque fois que de nouvelles expériences viendront corroborer les prédictions, la théorie sera confortée, et notre confiance en elle s’accroîtra ; mais si jamais une nouvelle observation ne s’inscrit pas dans son cadre, il nous faudra l’abandonner ou la modifier. Du moins est-ce ce qu’il est supposé advenir, mais vous pourrez toujours mettre en doute la compétence de la personne qui a réalisé l’observation en question.

          Dans la pratique, il arrive souvent qu’une nouvelle théorie soit réellement une extension de la théorie précédente. Par exemple, des observations très précises de la planète Mercure ont révélé de légères différences entre son mouvement et les prédictions newtoniennes de la théorie de la gravitation. La théorie de la Relativité Générale d’Einstein annonçait un mouvement légèrement différent de celui de la théorie de Newton. Le fait que les prédictions d’Einstein s’accordent à ce que l’on voyait, alors que celles de Newton ne le faisaient pas, fut l’une des confirmations cruciales de la nouvelle théorie. Cependant, nous utilisons toujours la théorie de Newton dans notre pratique quotidienne, car la différence entre ses prédictions et celles de la Relativité Générale est minime dans les situations auxquelles nous avons affaire normalement. La théorie de Newton a aussi le grand avantage d’être plus aisée à manipuler que celle d’Einstein !

           L’ultime but de la science est de fournir une théorie unique qui décrive l’Univers dans son ensemble. Cependant, l’approche de la plupart des scientifiques scinde la question en deux. Premièrement, les lois nous disent comment l’Univers évolue avec le temps : si nous savons à quoi ressemble l’Univers à chaque instant donné, ces lois physiques nous disent à quoi il ressemblera l’instant d’après (déterminisme universel ?). Deuxièmement, se pose la question de son état initial. Certains estiment que la science ne devrait s’occuper que du premier aspect de la question et considèrent le problème de la situation initiale de l’Univers comme du ressort de la métaphysique ou de la religion. Ils voudraient donc dire que Dieu, étant omniprésent, aurait pu faire démarrer l’Univers à sa guise. Peut-être en est-il ainsi, mais, dans ce cas, Dieu aurait dû aussi le développer d’une façon complètement arbitraire. Pourtant, il apparaît qu’il a choisi de le faire évoluer d’une façon très régulière, selon certaines lois. Il semble donc tout aussi raisonnable de supposer qu’il y a également des lois qui gouvernent son état initial.

          Il devient très difficile de concevoir une théorie qui décrive l’Univers d’un seul coup. A la place, on choisit de morceler le problème et d’inventer un certain nombre de théories partielles ; chacune d’elles décrivant et prédisant une certaine classe limitée d’observations, négligeant les effets de quantités d’autres, ou les représentant par de simples séries de nombres. Il se peut que cette approche soit complètement fausse. Si tout dans l’Univers dépend de tout et de façon fondamentale, il pourrait être impossible d’approcher une solution générale en traitant séparément les différentes parties du problème. Néanmoins, c’est assurément de cette façon que nous avons accompli quelques progrès dans le passé. L’exemple classique est encore celui de la théorie newtonienne de la gravitation, qui nous dit que la force gravitationnelle entre deux corps ne dépend que d’un nombre associé à chacun, leur masse, et est indépendante de ce dont ces corps sont constitués. Aussi n’a-t-on pas besoin d’avoir une théorie de la structure et de la constitution du Soleil et des planètes pour calculer leurs orbites.

          Aujourd’hui, les savants décrivent l’Univers d’après deux théories partielles de base, la théorie de la Relativité Générale et de la Mécanique Quantique. Ce sont les grandes réussites de la première moitié du XXème siècle. La Relativité Générale décrit la force de gravité et la structure de l’Univers à grande échelle de l’Univers, c’est-à-dire la structure à des échelles allant de quelques kilomètres à un million de milliards de milliards de kilomètres (un 1 suivi de 24 zéros), dimension de l’Univers observable. La Mécanique Quantique, elle, s’intéresse à des phénomènes à échelle extrêmement réduite, comme le millionième de millionième de centimètre. Malheureusement, ces deux théories sont réputées incompatibles et ne peuvent donc pas être justes en même temps. L’un des plus grands efforts en physique aujourd’hui porte sur la recherche d’une nouvelle théorie qui les engloberait toutes les deux – une théorie quantique de la gravitation. Nous n’en disposons pas encore et un long chemin reste à parcourir, mais nous connaissons déjà un grand nombre de propriétés qu’elle devra satisfaire et de prédictions qu’elle devrait énoncer.

          Si vous pensez que l’Univers n’est pas arbitraire mais qu’il est régi par des lois précises, vous devrez en fin de compte combiner les théories partielles en une théorie complètement unifiée qui décrira tout l’Univers. Seulement, il y a un paradoxe fondamental dans la recherche d’une telle théorie complètement unifiée. Les notions relatives aux théories scientifiques que nous avons exposées plus haut supposent que nous sommes des êtres rationnels, libres d’observer l’Univers comme  nous le voulons et de tirer des déductions logiques à partir de ce que nous voyons. Dans un tel schéma, il paraît raisonnable de supposons que nous avons pu nous rapprocher de plus en plus des lois qui régissent notre Univers. Pourtant, s’il existe vraiment une théorie complètement unifiée, elle devrait aussi vraisemblablement déterminer nos actions. Et ainsi, la théorie elle-même devrait déterminer l’aboutissement de notre recherche la concernant ! Et pourquoi déterminerait-elle que nous arrivons aux bonnes conclusions à partir d’arguments ? Ne pourrait-elle pas aussi bien déterminer que nous tirons la mauvaise conclusion ? Ou pas de conclusion du tout ?

          La seule réponse que je puisse apporter à ce problème repose sur le principe de la sélection naturelle de Darwin. L’idée est la suivante : dans toute population d’organismes capables de s’auto-reproduire, il y aura des variations dans le matériel génétique et dans l’éducation de chaque individu.  Ces différences signifieront que quelques-uns de ces individus seront plus aptes que d’autres à tirer les bonnes conclusions quant au monde qui les entoure, et à agir en conséquence. Ces individus auront plus de chances de survivre et de se reproduire, et ainsi leurs types de comportement et de pensée deviendront dominants. Il a certainement été vrai, dans le passé, que ce que nous appelons intelligence et découverte scientifique ont constitué un avantage en faveur d’une survie. Il n’est pas évident que cela soit encore le cas aujourd’hui : nos découvertes scientifiques peuvent nous détruire et, même si elles ne le font pas, une théorie complètement unifiée ne changera pas grand chose en ce qui concerne nos chances de survie. Cependant, à condition que l’Univers évolue de manière régulière, nous devrions nous attendre à ce que les capacités de raisonnement dont la sélection naturelle nous a pourvus soient également valables dans notre recherche d’une théorie complètement unifiée, et donc qu’elles ne nous conduisent pas à des conclusions fausses.

          Comme les théories partielles dont nous disposons déjà sont suffisantes pour faire des prédictions exactes dans toutes les situations sauf les plus extrêmes, la recherche de la théorie fondamentale de l’Univers semble difficile à justifier au niveau pratique. (Il vaut la peine de noter, cependant, que des arguments semblables auraient pu être utilisés à la fois contre la Relativité et la Mécanique Quantique, et que ces théories nous ont donné à la fois l’énergie nucléaire et la révolution de la microélectronique !)

          La découverte d’une théorie complètement unifiée, donc, ne peut pas venir en aide à la survie de notre espèce. Elle peut même ne pas affecter du tout notre mode de vie. Mais jamais, depuis l’aube de la civilisation, les hommes ne se sont accommodés d’événements hors cadre et inexplicables. Ils ont eu soif de comprendre l’ordre sous-jacent dans le monde. Aujourd’hui, nous avons encore très envie de savoir pourquoi nous sommes là et d’où nous venons. Ce désir de savoir, chevillé à l’humanité, est une justification  suffisante pour que notre quête continue. Et notre but n’est rien moins qu’une description complète de l’Univers dans lequel nous vivons.

 

extrait d'Une brève histoire du temps, de Stephen HAWKING (Flammarion, 1989).