Voyage sans frontiùres vers l’infini, entretien avec Jean-Pierre Luminet

Voyage sans frontiùres vers l’infini

Jean-Pierre Luminet

De l’infini
 MystĂšres et limites de l’Univers (Dunod, 2005) de Jean-Pierre Luminet et Marc LachiĂšze-Rey, du CNRS, nous invite aux confins de la recherche que la cosmologie, les mathĂ©matiques et la physique entretiennent avec la mĂ©taphysique. Un ouvrage qui rĂ©ussit l’exploit de rendre le mystĂšre de l’infini accessible.

Votre ouvrage explore les trois Ă©nigmes de l’infini : celles du nombre, de l’espace et du temps. Parler de l’infini au singulier a-t-il un sens ?

En fait, non. Quand on parle de l’infini, il faut dĂ©jĂ  distinguer l’infiniment grand et l’infiniment petit qui posent des problĂšmes d’ordres diffĂ©rents. DĂšs l’origine de la pensĂ©e sur l’infini, cette distinction Ă©tait faite. D’un cĂŽtĂ©, ArchimĂšde (287-212) Ă©tablit un systĂšme de numĂ©ration qui permet d’atteindre non pas l’infini mais des nombres extraordinairement grands. De l’autre, ZĂ©non (Ve siĂšcle avant notre Ăšre) pose le problĂšme de la divisibilitĂ© Ă  l’infini de l’espace, du temps, et finalement de la matiĂšre et tend donc vers les nombres infiniment petits. C’est pourquoi nous avons, dans le livre, clairement opĂ©rĂ© cette distinction, tout en essayant de faire la synthĂšse entre l’infini du nombre – c’est-Ă -dire l’infini mathĂ©matique, l’infini de l’espace et du temps qui ont plutĂŽt Ă  voir avec la cosmologie –, et l’infini de la matiĂšre. Ce dernier infini est, d’une certaine façon, impliquĂ© par celui de l’espace et du temps Ă  travers la liaison matiĂšre-espace-temps qui se trouve dans la thĂ©orie de la relativitĂ© et les thĂ©ories quantiques. Il y donc bel et bien plusieurs infinis.

Quelles sont les origines de la pensĂ©e sur l’infini ?

Les origines de l’infini remontent Ă  la pensĂ©e grecque. ZĂ©non Ă©nonce ses fameux paradoxes Ă  propos de la course entre Achille et la tortue. Bien que courant dix fois plus vite que la tortue, si Achille lui concĂšde 10 mĂštres d’avance, celle-ci parcourra toujours un dixiĂšme de plus que la distance franchie par Achille et ce, jusqu’à l’infini. MĂȘme exemple avec la flĂšche tirĂ©e vers une cible : avant de l’atteindre, il lui faut parcourir la moitiĂ© du chemin, puis ayant atteint cette moitiĂ©, il lui faut encore parcourir la moitiĂ© de la moitiĂ©, etc.

Ces apparents paradoxes ou sophismes, ne pouvaient pas ĂȘtre rĂ©solus Ă  l’époque car les mathĂ©matiques ne permettaient pas de comprendre qu’une somme infinie puisse tendre vers un nombre fini. C’est lĂ  l’explication mathĂ©matique naturelle des paradoxes de ZĂ©non qui ne soulĂšvent plus aujourd’hui aucune contradiction. Mais les mathĂ©matiques d’alors posaient de sĂ©rieux problĂšmes d’ordre philosophique et mĂ©taphysique notamment sur la divisibilitĂ© du mouvement et du temps.

La vĂ©ritable origine de la pensĂ©e sur l’infini remonte Ă  deux grands philosophes, Aristote (384-322) et DĂ©mocrite (460-370), qui ont chacun fondĂ© une Ă©cole de pensĂ©e avec des visions radicalement distinctes. Aristote a produit un cĂ©lĂšbre commentaire des paradoxes de ZĂ©non tout en dĂ©veloppant ses propres idĂ©es : il a abouti Ă  une distinction philosophique essentielle entre ce qu’il appelle l’infini actuel et l’infini potentiel. Le premier existerait rĂ©ellement dans la nature, le second ne serait qu’une crĂ©ation de l’esprit humain, Ă©ventuellement nĂ©cessaire pour rĂ©soudre certains problĂšmes physiques ou mathĂ©matiques. Aristote prend nettement partie pour ce type d’infini et dĂ©nie toute pertinence Ă  l’infini actuel. À l’inverse, DĂ©mocrite et les autres fondateurs de l’école des Atomistes mettent directement l’infini dans leur physique et dans leur cosmologie. Ils Ă©laborent un systĂšme gĂ©nĂ©ral du monde constituĂ© d’un espace infini et peuplĂ© d’un nombre infini de ce qu’ils appellent des atomes, sans oublier un vide infini lui aussi. L’histoire va plutĂŽt retenir la conception d’Aristote : celle-ci va s’imposer pendant des siĂšcles jusqu’à ce que l’on redĂ©couvre, Ă  partir du XVIe puis du XVIIIe siĂšcle, la pensĂ©e trĂšs profonde des atomistes.

TrĂšs tĂŽt, les thĂ©oriciens distinguent donc un infini actuel d’un infini potentiel. Cette distinction a-t-elle perdurĂ© ?

Oui, elle a perdurĂ©. Si la vision d’Aristote s’est longtemps imposĂ©e, certains savants et notamment des mathĂ©maticiens en soulignaient les incohĂ©rences apparentes et tentaient de reformuler la possibilitĂ© d’un infini actuel. Mais le sujet Ă©tait dĂ©licat : les mathĂ©matiques n’étaient pas claires et il Ă©tait thĂ©ologiquement dangereux de parler d’un infini actuel qui a longtemps Ă©tĂ© « rĂ©servĂ© » Ă  Dieu. Giordano Bruno, pour avoir soutenu l’infinitĂ© du monde, a d’ailleurs Ă©tĂ© immolĂ© en 1600, Ă  Rome. Mais Ă  la fin du XIXe siĂšcle, les grands travaux de Bolzano et de Cantor ont remis sur le devant de la scĂšne l’actualitĂ© de l’infini dans les mathĂ©matiques, c’est-Ă -dire la nĂ©cessitĂ© absolue de l’utilisation actuelle de l’infini dans leurs dĂ©monstrations. À partir de lĂ , deux perceptions majeures s’affrontent. La premiĂšre est celle des physiciens qui veulent Ă©liminer l’infini de leurs thĂ©ories car, pour eux, l’infini ne peut se rĂ©aliser dans la nature. La seconde est celle des mathĂ©maticiens qui, avec Georg Cantor (1845-1918), considĂšrent que l’infini actuel existe en mathĂ©matiques.

Mais l’infini actuel n’existerait-il qu’en mathĂ©matiques ?

Une premiĂšre remarque s’impose. Distinguer comme nous le faisons un infini mathĂ©matique et un infini dans la nature pose un problĂšme fondamental : les mathĂ©matiques, n’est-ce pas aussi la nature ? Cette contradiction n’est toujours pas rĂ©solue.

Seconde remarque : il faut noter qu’au sein mĂȘme des mathĂ©matiques, le statut actuel ou potentiel de l’infini n’est pas clair. Certaines Ă©coles rĂ©flĂ©chissent d’ailleurs sur la philosophie des mathĂ©matiques, sur le sens profond de cette dĂ©marche : est-ce une sorte de langage universel ou une crĂ©ation de l’esprit humain ? On pourrait croire qu’avec les travaux fondamentaux de Cantor ou de Gödel, par exemple, l’infini actuel en mathĂ©matiques est acceptĂ© par tous, mais il n’en est rien. Il y a encore des Ă©coles – rappelons-nous les Intuitionnistes au dĂ©but du XXe siĂšcle – qui dĂ©nient toute actualitĂ© Ă  l’infini. La trĂšs grande majoritĂ© des physiciens conteste aussi toute rĂ©alitĂ© Ă  l’infini actuel. Il n’existerait qu’en mathĂ©matiques. Toutefois, une branche particuliĂšre de la physique qui est la cosmologie et dans laquelle les deux auteurs de cet ouvrage travaillent, lui accorde une existence.

La cosmologie a un statut Ă©pistĂ©mologique un peu particulier. C’est, je pense, le seul domaine de la physique oĂč il y a, dans les modĂšles actuels, la possibilitĂ© d’un espace infini, d’un temps Ă©ternel. Éternel dans le futur – et pas dans le passĂ©, Ă  cause du big-bang – c’est-Ă -dire d’un espace en extension perpĂ©tuelle. Aucune autre thĂ©orie de la physique ne l’admet.

En cosmologie, les modÚles récents plaident volontiers pour un univers fini mais sans limites. Comment accepter cette apparente contradiction ?

La cosmologie admet la possibilitĂ© logique d’un espace infini et d’un temps Ă©ternel. Mais elle reconnaĂźt aussi la possibilitĂ©, d’ailleurs de plus en plus favorisĂ©e par les rĂ©centes observations, d’un espace fini. Le temps, lui, peut rester Ă©ternel. Quelle est cette nouveautĂ© qui permet d’imaginer un espace fini mais sans limites ? Pour comprendre qu’il n’y a pas lĂ  de contradiction, il convient d’intĂ©grer un progrĂšs fondamental de la gĂ©omĂ©trie, dĂ©veloppĂ© au XIXe siĂšcle : la gĂ©omĂ©trie non euclidienne. Issue notamment des travaux de Gauss, Batchevski ou Riemann, elle permet de construire des espaces mathĂ©matiques qui ont une taille et un volume finis mais qui n’ont pas de frontiĂšres. C’était Ă©videmment tout Ă  fait impensable dans le cas de la gĂ©omĂ©trie euclidienne oĂč l’on associait nĂ©cessairement l’infini avec l’illimitĂ© et le fini avec la limite. On trouve d’ailleurs cette erreur chez Kant.

Les outils mathĂ©matiques d’aujourd’hui, les gĂ©omĂ©tries non euclidiennes et la topologie, qui est une branche des mathĂ©matiques, permettent de construire d’une façon logique et sans aucune contradiction des modĂšles d’espace qui sont finis et n’ont pas de frontiĂšre. Ces espaces ne sont Ă©videmment pas plongĂ©s dans un espace extĂ©rieur, ils sont en eux-mĂȘmes et occupent tous les lieux de l’Univers. On peut tenter de se les reprĂ©senter sur un plan Ă  deux dimensions, en imaginant la surface d’une sphĂšre. En tirant une ligne droite sur cette surface, on obtiendra un cercle qui est de longueur finie et qui n’a pas de limite. On ne tombe jamais dans le vide. En trois dimensions, l’équivalent de la sphĂšre s’appelle l’hypersphĂšre et offre une infinitĂ© d’autres espaces possibles qui sont tous finis et sans limites. Aujourd’hui, toute contradiction est donc levĂ©e quant Ă  la correspondance entre la finitude et l’absence de limite.

On a mis du temps Ă  Ă©vacuer l’existence d’un bord de l’espace et voilĂ  que rĂ©apparaĂźt, avec les thĂ©ories du big-bang et l’existence d’un temps zĂ©ro, la possibilitĂ© d’un bord temporel. Ne risque-t-on pas de l’interprĂ©ter comme un bĂ©gaiement de la science ?

PlutĂŽt qu’un bĂ©gaiement de la science, il y a d’abord peut-ĂȘtre lĂ  l’indice d’une limitation du modĂšle. La thĂ©orie du big-bang n’est que l’une des consĂ©quences de la thĂ©orie de la relativitĂ© gĂ©nĂ©rale, issue des travaux d’Einstein, appliquĂ©e simplement Ă  la description globale de l’Univers. Elle fait effectivement apparaĂźtre un dĂ©but de tout, une sorte de temps zĂ©ro. On peut mĂȘme mesurer avec une assez grande prĂ©cision l’ñge de l’Univers Ă  partir de ce moment singulier, probablement vieux de quatorze milliards d’annĂ©es. Mais ce temps zĂ©ro pose un Ă©norme problĂšme : comment admettre un bord temporel ? Si l’on s’en tient Ă  ce cadre strict des modĂšles de big-bang, le temps zĂ©ro n’a pas grand sens et pousse forcĂ©ment Ă  s’interroger sur l’avant big-bang. Mais cette interrogation est-elle justifiĂ©e en ces termes ? « Avant », c’est dĂ©jĂ  un terme temporel. Or, si le big-bang a créé le temps, on ne peut pas parler d’un avant le temps. Évidemment, cela heurte la physique et le bon sens.

Beaucoup de gens considĂšrent en fait que la thĂ©orie du big-bang n’est qu’une thĂ©orie approchĂ©e. Aussi belle soit-elle, la thĂ©orie de la relativitĂ© gĂ©nĂ©rale sur laquelle celle du big-bang est fondĂ©e n’est pas complĂšte puisqu’elle n’inclut pas les prĂ©ceptes de la physique quantique, c’est-Ă -dire les propriĂ©tĂ©s de l’infiniment petit
 Beaucoup de physiciens fondamentaux cherchent donc aujourd’hui Ă  unifier relativitĂ© gĂ©nĂ©rale et physique quantique, au sein de thĂ©ories que l’on appelle dĂ©jĂ  de gravitĂ© quantique. L’un des buts poursuivis serait justement d’éliminer la notion de bord temporel et celle de temps zĂ©ro sans Ă©vincer pour autant l’idĂ©e gĂ©nĂ©rale d’un big-bang. Parti d’une phase trĂšs chaude et comprimĂ©e, l’Univers serait en expansion. Mais le temps zĂ©ro au sens strict du terme et le point infiniment petit originel seraient Ă©liminĂ©s.

PlutĂŽt qu’un bĂ©gaiement, voyons-y un signe intĂ©ressant : l’apparition de l’infini fait progresser la physique.

Finalement, l’infini n’est-il pas cet horizon inaccessible qu’il faut Ă  la fois toujours repousser et ne jamais voir sous peine de faire s’écrouler la validitĂ© des thĂ©ories ?

L’infini, un peu comme le sphinx, renaĂźt toujours de ses cendres. C’est un moteur : l’élimination de l’infini par la physique, je ne parle pas des mathĂ©matiques, permet de fabriquer des thĂ©ories toujours plus perfectionnĂ©es. Mais jusqu’oĂč ? Il y a aujourd’hui des physiciens, dont certains sont trĂšs connus, comme Stephen Hawking, qui prĂ©tendent que l’on aura trĂšs bientĂŽt une thĂ©orie dite de tout. Elle permettrait de comprendre en une poignĂ©e d’équation l’ensemble des phĂ©nomĂšnes... Je ne partage absolument pas ce point de vue et je pense que toutes les thĂ©ories, aussi perfectionnĂ©es soient-elles, comprendront toujours des zones d’ombre dans lesquelles l’infini viendra en gĂ©nĂ©ral se cacher. C’est un fait heureux pour les physiciens : la recherche ne va pas s’arrĂȘter dans cinquante ans ! On peut d’ailleurs trouver un sens profond derriĂšre tout cela : si l’infini ne peut ĂȘtre Ă©liminĂ© de la physique, cela ne vient-il pas rĂ©activer la rĂ©alitĂ© de son actualitĂ© ? Pourquoi pas ? Je pense que mon co-auteur et moi faisons partie des physiciens idĂ©alistes : nous accordons un statut fondamental au rĂŽle des mathĂ©matiques dans la modĂ©lisation de l’Univers. À partir du moment oĂč l’infini est dĂ©montrĂ© comme Ă©tant actuel dans les mathĂ©matiques, pourquoi ne le serait-il pas Ă©galement dans la physique ? Peut-ĂȘtre pas de façon directe, dans un espace infini avec un nombre infini d’atomes, etc. Mais sans doute d’une autre façon, plus subtile et dĂ©guisĂ©e...

Votre ouvrage fait preuve d’un rĂ©el souci pĂ©dagogique et vulgarisateur tout en brassant des thĂšmes, des idĂ©es et des thĂ©ories complexes. À quels publics le destinez-vous ?

Il s’agit ici de faire de la culture scientifique. Nous essayons donc de toucher tous les publics possibles et en particulier les jeunes. Mes prĂ©cĂ©dents ouvrages abordaient aussi des concepts de la cosmologie un peu compliquĂ©s. Pourtant, sans forcĂ©ment tout y comprendre, nombre de jeunes lecteurs y ont trouvĂ© un grand intĂ©rĂȘt jusqu’à parfois se dĂ©couvrir une vocation. Les disciplines scientifiques sont un peu en dĂ©saffection aujourd’hui dans les Ă©tudes supĂ©rieures. Montrer aux jeunes Ă  quel point faire de la physique et de la recherche scientifique ne revient pas uniquement Ă  rĂ©soudre des Ă©quations et Ă  acquĂ©rir une technique purement mathĂ©matique me paraĂźt indispensable. C’est pourquoi nous mettons Ă©galement en avant le rĂŽle fondamental de l’imagination, de l’imaginaire, de la poĂ©sie et de la crĂ©ativitĂ© dans l’élaboration des thĂ©ories. Nous essayons donc de donner chair Ă  ces savants, auteurs de grandes rĂ©volutions scientifiques. Nous nous attachons aussi Ă  bĂątir des ponts entre la pensĂ©e abstraite et sa traduction artistique et enrichissons l’ouvrage de nombreuses citations littĂ©raires...

Ces rĂ©flexions sur des thĂšmes a priori complexes s’insĂšrent en fait dans une culture extrĂȘmement large qui doit se dĂ©barrasser des clivages entre les scientifiques, les littĂ©raires, les philosophes, etc. L’approche scientifique du monde a toujours eu des rĂ©sonances avec les grandes questions philosophiques et mĂ©taphysiques. D’une certaine façon, faire de la science revient Ă  reformuler des questions irrĂ©solues de la philosophie et de la mĂ©taphysique jusqu’à obtenir une rĂ©ponse possible.

© DUNOD EDITEUR, 1er Octobre 2005

Visitez le site Internet associé à cette interview !

Le site de JP Luminter :

http://www.luth.obspm.fr/luminet.html

Â