L'univers élégant

Excellent ouvrage de vulgarisation qui dans un premier temps nous rappelle les grandes avancées du 20ème siècle dans la perception de notre Univers: l'Infiniment grand avec Einstein et l'infiniment petit avec la mécantique quantique développée essentiellement par Niels Bohr et qui vise à expliquer le fonctionnement des particules.
La relativité générale, elle, offre une explication de la gravité, de la forme de l'Univers à grande échelle.
Rappelons que c'est cette théorie qui a prédit l'existence de trous noirs par exemple.
Relativité et mécanique quantique sont les deux théories les plus précises élaborées par l'Homme.
Brian Greene nous aide à comprendre cette mécanique quantique qui défie le sens humain. Oui les particules peuvent se déplacer et changer d'orbite autour du noyau, sans franchir l'espace qui sépare ces orbites: c'est ce qu'on appelle le saut quantique.
Oui les particules peuvent avoir des comportements différents selon qu'il y a observation ou pas. Les particules "liées" restent liées même si elles sont par la suite séparées dans l'espace: ce qui advient à l'une a un effet sur l'autre.
C'est un véritable tour de force de nous aider à comprendre cette théorie où rien ne repose sur des certitudes mais seulement sur des probabilités.

Une théorie à qui nous devons nos ordinateurs, nos téléphones, internet...

Brian Greene est quant à lui, un des spécialistes de la"théorie des cordes", théorie qui parvient à faire le lien entre la théorie de la relativité et la mécanique quantique.
Les particules, selon cette théorie, ne sont plus des éléments fondamentaux mais résulteraient de la vibration de bouts de corde minuscules.
Il nous raconte avec talent les tenants et aboutissants de cette théorie.
Cet ouvrage est passionnant, l'auteur atteint avec brio son but: rendre accessible au profane les idées qui occupent le devant de la scène en physique.

Ces cordes sont passionnantes d'un bout à l'autre. L'auteur nous offre beaucoup d'enthousiasme et des explications très claires - les plus claires qui m'ont été données à lire - sur au moins quelques points de physique déjà maîtrisés, prouvés, admis, ayant donnés des résultats technologiques dans la vie de tous les jours. Pour le reste, donc sur les cordes elles-même et malgré toute la sympathie que l'on peut éprouver pour le rédacteur qui s'évertue à rendre le sujet aussi humain que possible (on apprend que certain physicien refuse de bosser le dimanche et même qu'il leur arrive de boire des coups), on reste sérieusement sur une sorte d'impression vague mais persistante que tout cela n'est qu'une construction intellectuelle d'une complexité ahurissante. Il n'y a aucun principe original qui permet de la résumer. L'auteur le reconnait lui-même.

On arrive au bout du livre en se disant que rien aujourd'hui, ni à court terme, ni à long terme (la taille des accélérateurs nécessaires aux expériences qui permettraient d'obtenir les preuves expérimentales confine à l'absurde) ne permet de valider ou d'invalider cette théorie ou ce groupe de théories (il y en aurait cinq et même "peut-être" six qui pourraient être les facettes d'une même et unique théorie du Grand Tout), si ce n'est les résultats de calculs (nombreux, variés et d'une complexité délirante puisqu'ils dépassent les capacités de calcul de nos ordinateurs actuels) que l'on nous demande d'accepter chat (de Schrödinger) en poche.

Pour ma part, je tiens à entendre un autre son de cloche et j'enchaine avec la lecture de Rien ne va plus en physique ! L'échec de la théorie des cordes de Lee Smolin.

L'univers élégant / Brian Greene
Dans ce livre de 600 pages passionnant de bout en bout, Brian Greene nous explique avec des mots et des exemples simples de nombreux faits et théories scientifiques et notamment la Relativité Restreinte. Maxwell et Einstein vont occulter Newton au fil des nouvelles découvertes. Ce livre est à la portée de tout ceux qui veulent que les secrets de l'univers leur soient révélés. Il n'est pas aisé d'en faire un commentaire sans en définir la substance, le titre n'étant pas nécessairement explicite.
Dans un premier temps, l'auteur nous explique pourquoi la théorie de la relativité générale d'Einstein est en antagonisme avec la théorie quantique de Planck car si l'on tente d'amalgamer ces deux théories, on aboutit à des aberrations. Et si une nouvelle théorie parvenait à faire le lien entre les deux ? C'est là qu'intervient la théorie des cordes vibrantes issue des travaux de Veneziano dans les années soixante. (Théorie des cordes bosoniques)
Avant d'aborder ce point, l'auteur nous décrit les propriétés interactives de la vitesse de la lumière, de l'espace et du temps. Et il va bien falloir pour aller plus loin se faire à l'idée que la vitesse spatiale d'un objet ne représente que la manière dont son trajet dans le temps est dévié. La véritable nature de l'espace et du temps nous est dissimulée par la lenteur de nos déplacements à l'échelle cosmique.
Newton mit en équation la gravitation mais fut incapable de dire ce qu'elle était réellement. La théorie de la relativité générale qui précise que la vitesse de la lumière est une limite infranchissable se heurta alors au fait que cette force de gravitation agit instantanément proportionnellement à la masse des corps en présence et en proportion inverse du carré de la distance qui les sépare. Dilemme ?
Il va falloir se faire à l'idée que l'espace réagit à la simple présence d'un objet doté d'une masse en se déformant. John Wheeler explique que « la masse exerce son emprise sur l'espace en lui dictant sa courbure ; l'espace exerce son emprise sur la masse en lui dictant son mouvement. » C'est lui, à la suite des travaux de Schwarzschild , qui dénomma trous noirs des étoiles si denses que la lumière ne peut s'en échapper.
Greene nous parle ensuite de la lumière et de sa nature corpusculaire mise en évidence dans l'effet photoélectrique , ainsi que de sa nature ondulatoire mise en évidence dans l'expérience des fentes de Young. Mais dans le monde de tous les jours, la valeur énorme de c (vitesse de la lumière) voile la véritable nature de l'espace et du temps, la petitesse de la constante de Planck occultant le caractère ondulatoire de la matière. Et les travaux de Max Born suivis de ceux de Niels Bohr nous apprennent que l'électron qui gravite autour du noyau n'est qu'une onde de probabilité !! Très étrange et inquiétant ! Non pas vraiment car au niveau macroscopique, ces phénomènes ne jouent pas contrairement a ce qui se passe au niveau microscopique. Passionnants également les travaux de Feynmann qui finalement nous explique que même si la théorie quantique nous fournit une description absurde de la nature, elle est en accord parfait avec toutes les expériences effectuées. Les relations d'incertitude de Heisenberg vont ajouter évidemment au trouble de la situation : une mesure plus précise de la position de l'électron implique forcément une plus grande imprécision dans la mesure de la vitesse et réciproquement. Alors qu'Einstein n'était pas tout à fait d'accord avec ses collègues, les travaux de John Bell et d'Alain Aspect ont montré qu'Einstein avait tort et que la nature est bien telle que Heisenberg l'a décrite.
Devant tant d'incongruités et d'incompatibilités, la théorie des cordes est venue apporter un peu d'unité. Les travaux de Michael Green et John Schwarz puis de Joël Scherk ont permis de modifier fondamentalement la description théorique des propriétés ultramicroscopiques de l'Univers, et de résoudre le conflit entre la théorie quantique et la relativité générale grâce à de petites cordes unidimensionnelles vibrantes d'une longueur voisine de la longueur de Planck (10 puissance moins 33 centimètres !!!) modélisant les particules élémentaires. de plus cette nouvelle théorie quantique inclut la gravitation. Les masses et les charges résultent de la façon précise dont vibrent les cordes dont la tension est colossale, 10 puissance 39 tonnes !!(Tension de Planck)
Cette nouvelle théorie au départ fut critiquée et souvent ignorée. Il a fallu pour Schwarz et Green attendre 1984 pour voir leurs travaux reconnus. La première révolution des supercordes intervint en 1986, la seconde en 1995 avec Edward Witten pour tenter de mettre au point les équations permettant de structurer cette théorie magnifique. La grande question qui se pose aux chercheurs est de savoir si cette théorie est vraiment ultime !
Il ne faut pas perdre de vue que l'ordre et la cohérence des mécanismes de la nature s'organisent au sein du principe de symétrie (de rotation et de jauge) de l'Univers. Scherck et Schwarz ont montré que la théorie quantique des cordes incluait des cordes vibrantes qui avaient une configuration de masse nulle et de spin 2 caractéristiques du graviton. A partir de ces deux idées, l'auteur aborde la notion complexe de supersymétrie, « qui peut être associée à un changement de point de vue dans une extension quantique de l'espace et du temps ». Les implications de cette théorie sont développées ensuite et s'avèrent capitales quant au concept unificateur. La théorie des supercordes en découle que Gliozzi, Scherk et Olive mirent au point, et que Wess et Zumino peaufinèrent en la nommant « Théorie quantique des champs supersymétriques » en l'appliquant aux champs de particules ponctuelles.
Ensuite, Greene nous décrit avec beaucoup de dextérité et de simplicité les travaux de Kaluza (1919) et Klein (1926) se rapportant aux dimensions cachées. le simple fait d'imaginer qu'il existe au moins une dimension supplémentaire à notre univers a conduit Kaluza à réunir en ses équations nouvelles la théorie de la gravitation d'Einstein et la théorie de l'électromagnétisme de Maxwell. Mais il a fallu attendre une quarantaine d'années pour que ses travaux soient reconnus, puis repris et développé. En 1984 la théorie des cordes se révéla être le chaînon manquant requérant à elle seule neuf ou dix dimensions spatiales et une temporelle. Ces dimensions supplémentaires seraient entortillées dans un espace de Calabi-Yau dont il reste à déterminer la conformation exacte.
Greene nous fait comprendre peu à peu que cette si belle théorie des cordes, si ambitieuse et si esthétique pêche au niveau des signatures expérimentales. On n'en connaît pas encore bien le mode d'emploi et les investigations actuelles à la recherche de ces signatures nécessitent une percée technologique stupéfiante pour étudier la matière à l'échelle de Planck. Ce sera plutôt par des observations indirectes que des données expérimentales seront obtenues dans les années à venir.
Dans une quatrième partie, Greene aborde la structure de l'espace-temps et le concept de géométrie quantique qui contraint de renoncer à la géométrie riemannienne qui ne se révèle être vraie qu'aux grandes échelles. A la longueur de Planck, il faut abandonner Riemann et ses prédécesseurs Gauss, Lobatchevsky et Bolyai. Cette partie est assez ardue pour le profane il faut l'avouer car en abordant les distances subplanckiennes, on baigne dans l'abstraction complète . Quoiqu'il en soit, les travaux de Greene et Plesser confirmés par Candelas aboutissent à la découverte de la symétrie miroir de la théorie des cordes qui fournit un outil efficace pour comprendre à la fois la physique de la théorie des cordes et les mathématiques des espaces de Calabi-Yau. Et Greene d'évoquer la transition de flop et le déchirement possible de la structure de l'espace temps.
« La théorie des cordes offre ainsi un cadre unificateur à la physique et pourrait bien contribuer à forger une union au sein des mathématiques elles-mêmes. » (Greene)
Dans le chapitre qui suit, l'auteur aborde la question de l'inévitabilité que notre Univers soit comme il est. L'Univers aurait-il pu être différent ou non ? A voir !
Des résultats issus de la deuxième révolution des supercordes ont montré qu'en fait les cinq théories des cordes font partie d'un seul cadre unifié baptisé « théorie M ». Grâce à la « théorie des perturbations », et une approche perturbative qui en découle, la compréhension de la théorie des cordes s'est affinée.
L'application de la théorie des cordes à la compréhension de la structure des trous noirs en est encore à ses débuts. La singularité de l'espace-temps du centre des trous noirs et la question de la perte d'information lors du franchissement de l'horizon restent inexpliquées pour l'heure. Est évoquée ensuite la question de l'espace –temps situé entre le Big Bang et le temps de Planck (10 puissance moins 43 secondes). Si on applique les équations de la relativité générale à cette région, on obtient que l'Univers devient toujours plus petit, plus chaud et plus dense. Au temps zéro, la taille de l'Univers est nulle, la température et la densité tendent vers l'infini : le modèle théorique standard du Big Bang s'effondre. C'est alors que la théorie des cordes va voler au secours de la relativité générale et de la théorie quantique. Et l'on parle de cosmologie des cordes : on n'en est encore qu'au tout début…mais avec de premiers résultats encourageants qui sauvent la théorie standard. L'idée de brisure de symétrie au temps de Planck invoquée par Brandenberger et Vafa est particulièrement intéressante.
En conclusion, « la cosmologie exerce sur nous une profonde fascination : en comprenant le comment du commencement de toute chose on espère approcher du pourquoi. » Pour exciter notre curiosité, l'auteur nous parle des multiunivers de Linde et du principe anthropique. Et finalement, les cordes de la théorie des cordes ne seraient-elles pas les brins de l'espace temps en état de cohérence ? Avant que ces cordes ne se mettent à vibrer de façon cohérente, n'auraient-elles pas connu un état incohérent où n'auraient existé ni le temps ni l'espace ?
Leibniz disait : « Pourquoi quelque chose plutôt que rien ? » le nouveau formalisme issu de la théorie des cordes pourrait un jour lointain nous dire pourquoi . Mais comme le disait Einstein, est-il certain que l'on puisse tout expliquer ?
Un ouvrage relativement facile à lire, fondamental même s'il n'explique pas tout.

Le meilleur livre de vulgarisation paru à ce jour sur la théorie des cordes. L'enjeu est d'unifier les deux théories incompatibles, celle de l'infiniment petit et celle de l'infiniment grand, qui ont révolutionné la physique depuis maintenant plus d'un siècle : la mécanique quantique et la relativité générale. Einstein et beaucoup d'autres avaient cherché à élaborer une théorie unificatrice, la "théorie du tout", sans vraiment y parvenir. La théorie des supercordes serait le candidat sérieux en passe de relever le défi. Mais il y a un os : la théorie des cordes reste un ce jour un joli assemblage d'idées mathématiques, générant plusieurs théories concurrentes, qu'aucune vérification expérimentale à ce jour n'est venu trancher, ni même confirmer, faute d'accélérateur de particules assez puissant.
Dans ce livre, Brian Greene rappelle tout d'abord les principaux concepts relativistes et quantiques : espace-temps, masse, vitesse de la lumière, gravitation, ondes, corpuscules, trous noirs, big-bang, modèle standard, symétrie de jauge, et j'en passe. Puis il raconte comment, en 1970, trois chercheurs modélisèrent les particules comme des petites cordes vibrantes, amenant, en 1974, John Schwarz et Joël Scherk, de l'Ecole Normale Supérieure, sur la voie d'une théorie quantique incluant la gravitation, premier succès de la théorie des cordes. Il développe ensuite les apports et les espoirs de cette théorie (les p-branes, les dimensions enroulées, les espaces de Calabi-Yau), en laissant cependant à la fin du livre un certain goût d'inachevé.

Brian Greene a un style très aéré, facile à lire mais prosaïque et fait parfois des analogies dont un lecteur averti se passerait bien. C'est parfait pour de la TV (Cf. les vidéos de Greene sur PBS en vo et sur YouTube en vf) mais à mon avis ces longueurs sont inutiles dans un livre à connotation technique à partir du moment où le lecteur connaît déjà un peu le sujet.

Ceci dit, Greene utilise les termes techniques adéquats qui cadrent le sujet et cet ouvrage est aussi facile à lire qu'un Hawking ou Kaku et plus facile qu'un Thorne ou Novikov.

Il faut simplement bien comprendre qu'il s'agit de théorie spéculative et que Greene ne confronte pas sa théorie à celles existantes ou concurrentes (LQG, etc) et ne fait donc pas son autocritique.

On sent aussi que la traduction n'est pas littérale, ce qui est préférable par certains côtés, mais de ce fait certaines tournures à la française ont supprimé ce qui faisait la spécificité du texte anglais.
Ceci dit, bravo pour la traductrice car c'est un travail long et toujours difficile en cette matière.

L'Univers élégant contient beaucoup de concepts techniques (à mon sens un peu plus que La réalité cachée) et il comprend même un glossaire, chose qui se fait rare.

Les références à l'histoire (relativité, quantique) sont précises et complètes et il décrit en détail les cordes, y compris sur plan historique, ce qui en fait aussi une référence.

Ce livre est illustré (pas autant qu'un Hawking et sa coquille de noix mais un peu plus que La réalité cachée).
Il est du gabarit des Weinberg, Kaku ou Hawking.

Vu le nombre de concepts évoqués, cet ouvrage nécessite idéalement le niveau bac et de pouvoir faire la différence entre une particule et un champ, la relativité et la quantique, entropie et information, symétrie et supersymétrie, même si Greene fait l'effort de rester non mathématique et disserte de ce fait assez bien.

Comparé à son autre livre La réalité caché, disons que L'univers élégant devrait être lu en deuxième lieu, mais c'est un détail car les deux ont beaucoup de points communs et sont passionnants.

Enfin, pour ceux et celles qui ont encore de bons yeux, la version française de Robert Laffont est aussi écrite en caractère un peu plus petit que La réalité cachée (et l'ouvrage est aussi plus lourd), ce que je préfère, le texte paraissant plus condensé.

Dans tous les cas c'est un livre qui va vous faire vibrer et mérite de figurer dans toute bonne bibliothèque.

A lire sans modération.