Défis pour la physique en 2017
(Citations de référence)

jean.pestieau@gmail.com

La méthode scientifique en question :

Il y a une crise dans une partie importante de la physique aujourd’hui. Et ceci n’est pas sans conséquence sur la manière d’approcher la réalité dans l’ensemble de la société. Cette crise se situe dans la mise en cause de la méthode scientifique basée (1) sur la dialectique entre expérience et théorie (exprimée en langage mathématique) et (2) sur la primauté du verdict de l’expérience. Comme l’écrit la physicienne Sabine Hossenfelder :

« Un nombre croissant de physiciens […] est convaincu de la viabilité de théories qui n’ont pas de confirmation empirique. Cette tendance est la plus marquée dans la quête d’une théorie de la gravitation quantique — notamment la théorie des cordes — et en cosmologie où les théories sur l’origine de l’univers donnent naissance à un multivers. Pourquoi se fait-il que des scientifiques font confiance à des théories qui n’ont pas été testées expérimentalement ? Pis encore, dans certains cas, ces théories ne peuvent même pas être testées en principe. Est-ce encore de la science ? » (Sabine Hossenfelder, 2015.)

There is a crisis in an important part of physics today. And this is not without consequence on the way to approach the reality in the whole of the society. This crisis lies in the questioning of the scientific method based on the dialectic between experience and theory (expressed in mathematical language) and (2) on the primacy of the verdict of experience. As German physicist Sabine Hossenfelder put it:

« An increasing number of physicists, […] have become strongly convinced of the viability of theories that have no empirical confirmation. This trend is most pronounced in the quest for a theory of quantum gravity — notably string theory — and in cosmology where theories for the early universe give rise to a multiverse. Why […] do scientists trust theories that have not been experimentally tested ? Worse, in some cases, these theories cannot even been tested in principle. Is this still science? » (Sabine Hossenfelder.)

« Why Trust A Theory ? Physicists And Philosophers Debate The Scientific Method », https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2015/12/10/why-trust-a-theory-physicists-and-philosophers-debate-the-scientific-method/#58580fc11476

L’originalité de la théorie quantique des champs :

« C’est dans la confluence particulière de la relativité restreinte et de la mécanique quantique que se manifeste une nouvelle série de phénomènes : des particules peuvent naître et les particules peuvent mourir. C’est cette question de naissance, de vie et de mort qui nécessite le développement d’un nouveau sujet en physique, celle de la théorie des champs quantiques. […] En mécanique quantique, le principe d’incertitude nous dit que l’énergie peut fluctuer frénétiquement sur un petit intervalle de temps. Selon la relativité restreinte, l’énergie peut être convertie en masse et vice versa [E = mc²]. Avec la mécanique quantique et la relativité restreinte, l’énergie fluctuante peut se métamorphoser en masse, c’est-à-dire en nouvelles particules qui n’était pas présentes auparavant. […] Que l’échange d’une particule peut produire une interaction a été l’un des plus profonds progrès conceptuels en physique. Nous associons maintenant une particule à chacune des forces connues : par exemple, le photon avec la force électromagnétique et le graviton avec la force gravitationnelle ; le premier est expérimentalement bien établi et, quant au second, alors qu’il n’a pas encore été détecté expérimentalement, personne ne doute de son existence. » (A. Zee, 2010.)

« It is in the peculiar confluence of special relativity and quantum mechanics that a new set of phenomena arises : particles can be born and particles can die. It is this matter of birth, life and death that requires the development of a new subject in physics, that of quantum field theory. Let me give a heuristic discussion. In quantum mechanics the uncertainty principle tells us that the energy can fluctuate wildly over a small interval of time. According to special relativity, energy can be converted into mass and vice versa. With quantum mechanics and special relativity, the wildly fluctuating energy can metamorphose into mass, that is, into new particles not previously present. » (A. Zee.)

Quantum Field Theory in a Nutshell, Second Edition, Princeton University Press, 2010 ; http://press.princeton.edu/chapters/s7573.pdf

Les défis pour la physique des interactions fondamentales :

A. « Nous avons vu comment la cosmologie moderne est confrontée à de grandes questions qui touchent aux fondements mêmes de la physique.

— Quelle est cette forme de matière qui interagit uniquement avec la gravité et apparemment avec rien d’autre ?

— Pourquoi l’expansion de l’univers s’accélère ?

— Qu’est-ce qui a fait que l’univers a subi une période d’expansion rapide peu de temps après le Big Bang ?

Ces questions, motivées par des observations cosmologiques, aboutissent à des questions sur la physique fondamentale.

— Y a-t-il des interactions en dehors des quatre que nous connaissons, c’est-à-dire la gravité, l’électromagnétisme et les forces nucléaires fortes et faibles ?

— Y a-t-il des particules en dehors du modèle standard ?

— Qu’est-ce qui détermine la valeur des constantes fondamentales de la nature ?

— Quelle est la structure réelle de l’espace-temps ?

— Y a-t-il des dimensions supplémentaires ?

La science a besoin de données, de sorte que chacune de ces questions soit abordée par une expérience minutieuse.

Le défi de la physique expérimentale moderne est de sonder la nature à des distances et des énergies extrêmes, bien en dehors des capacités des instruments disponibles à l’époque d’Einstein. Un long chemin a été parcouru, comme le montre la détection des ondes gravitationnelles en 2015, un exploit qui était jugé impossible par beaucoup de contemporains d’Einstein.

La relativité générale n’est pas la théorie finale de la gravité, car il n’y a rien de tel. Comme la relativité générale a maintenant 100 ans, nous ferions bien de la célébrer avec un scepticisme scientifique sain. Vive la relativité générale, et faisons un bon accueil à son éventuel remplacement, que ce soit au cours de notre vie ou non. » (Ivan Debono et George F. Smoot, 2016.)

« We have seen how modern cosmology is faced with big questions which touch the very foundations of physics. What is this form of matter which interacts only with gravity and apparently with nothing else? Why is the expansion of the universe accelerating? What caused the universe to undergo a period of rapid expansion soon after the Big Bang? These questions, motivated by cosmological observations, lead to questions about fundamental physics. Are there forces and interactions besides the four we know of, that is, gravity, electromagnetism, and the strong and weak nuclear forces? Are there particles beyond the Standard Model? What determines the value of the fundamental constants of nature? What is the real structure of spacetime? Are there extra dimensions?

Science needs data, so each of these questions must be addressed through careful experiment.

The challenge of modern experimental physics is to probe nature at extreme distances and energies, well outside the capabilities of the instruments that were available to Einstein. It has certainly come a long way, as shown by the detection of gravitational waves in 2015, a feat which was thought to be impossible by many of Einstein’s contemporaries.

General Relativity is not the final theory of gravity, for there is no such thing. As General Relativity turns 100, we would do well to celebrate it with a healthy does of scientific scepticism. Long live General Relativity, and a big welcome to its eventual replacement, whether in our lifetime or not.» (Ivan Debono and George F. Smoot.)

« General Relativity and Cosmology: Unsolved Questions and Future Directions », https://arxiv.org/abs/1609.09781

B. « From what is known today about the elementary particles of matter, and the forces that control their behavior, it may be observed that still a host of obstacles must be overcome that are standing in the way of further progress of our understanding. Most researchers conclude that drastically new concepts must be investigated, new starting points are needed, older structures and theories, in spite of their successes, will have to be overthrown, and new, superintelligent questions will have to be asked and investigated. In short, they say that we shall need new physics. Here, we argue in a different manner. Today, no prototype, or toy model, of any so-called Theory of Everything exists, because the demands required of such a theory appear to be conflicting. […] We claim that the two remaining ingredients that we have today, Quantum Field Theory and General Relativity, indeed are coming a long way towards satisfying [what we need]. » (Gerard ’t Hooft, 2017.)

Free Will in the Theory of Everything, https://arxiv.org/abs/1709.02874

La place du scientifique individuel dans l’histoire

« Expliquer toute la nature est une tâche trop ardue pour un seul homme ou une seule époque. Il est plus sage de faire peu en étant sûr de soi et laisser le reste à ceux qui viendront après, que présumer de tout sans être sûr de rien. » (Isaac Newton.)

« To explain all nature is too difficult a task for any one man or even for any one age. ’Tis much better to do a little with certainty & leave the rest for others that come after you, than to presume everything without being sure of anything. »

Physique et marxisme

« La physique contemporaine […] s’achemine vers la seule bonne méthode, vers la seule philosophie juste des sciences de la nature, non en ligne droite, mais en zigzags, non consciemment, mais spontanément, non point guidée par un “but final” nettement aperçu, mais à tâtons, en hésitant et parfois même à reculons. La physique contemporaine est en couche. Elle enfante le matérialisme dialectique. Accouchement douloureux. L’être vivant et viable est inévitablement accompagné de quelques produits morts, déchets destinés à être évacués avec les impuretés. » (V. Lénine, 1908.)

La révolution moderne dans les sciences de la nature et l’idéalisme philosophique, https://www.marxists.org/francais/lenin/works/1908/09/vil19080900am.htm