Voyage sans frontiĂšres vers lâinfini, entretien avec Jean-Pierre Luminet
Voyage sans frontiĂšres vers lâinfini
Jean-Pierre Luminet
De lâinfini⊠MystĂšres et limites de lâUnivers (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 lâexploit de rendre le mystĂšre de lâinfini accessible.
Votre ouvrage explore les trois Ă©nigmes de lâinfini : celles du nombre, de lâespace et du temps. Parler de lâinfini au singulier a-t-il un sens ?
En fait, non. Quand on parle de lâinfini, il faut dĂ©jĂ distinguer lâinfiniment grand et lâinfiniment petit qui posent des problĂšmes dâordres diffĂ©rents. DĂšs lâorigine de la pensĂ©e sur lâinfini, cette distinction Ă©tait faite. Dâun cĂŽtĂ©, ArchimĂšde (287-212) Ă©tablit un systĂšme de numĂ©ration qui permet dâatteindre non pas lâinfini mais des nombres extraordinairement grands. De lâautre, ZĂ©non (Ve siĂšcle avant notre Ăšre) pose le problĂšme de la divisibilitĂ© Ă lâinfini de lâespace, du temps, et finalement de la matiĂšre et tend donc vers les nombres infiniment petits. Câest pourquoi nous avons, dans le livre, clairement opĂ©rĂ© cette distinction, tout en essayant de faire la synthĂšse entre lâinfini du nombre â câest-Ă -dire lâinfini mathĂ©matique, lâinfini de lâespace et du temps qui ont plutĂŽt Ă voir avec la cosmologie â, et lâinfini de la matiĂšre. Ce dernier infini est, dâune certaine façon, impliquĂ© par celui de lâespace 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 lâinfini ?
Les origines de lâinfini 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 dâavance, celle-ci parcourra toujours un dixiĂšme de plus que la distance franchie par Achille et ce, jusquâĂ lâinfini. MĂȘme exemple avec la flĂšche tirĂ©e vers une cible : avant de lâatteindre, 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 lâĂ©poque car les mathĂ©matiques ne permettaient pas de comprendre quâune somme infinie puisse tendre vers un nombre fini. Câest lĂ lâexplication mathĂ©matique naturelle des paradoxes de ZĂ©non qui ne soulĂšvent plus aujourdâhui aucune contradiction. Mais les mathĂ©matiques dâalors posaient de sĂ©rieux problĂšmes dâordre philosophique et mĂ©taphysique notamment sur la divisibilitĂ© du mouvement et du temps.
La vĂ©ritable origine de la pensĂ©e sur lâinfini 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 quâil appelle lâinfini actuel et lâinfini potentiel. Le premier existerait rĂ©ellement dans la nature, le second ne serait quâune crĂ©ation de lâesprit humain, Ă©ventuellement nĂ©cessaire pour rĂ©soudre certains problĂšmes physiques ou mathĂ©matiques. Aristote prend nettement partie pour ce type dâinfini et dĂ©nie toute pertinence Ă lâinfini actuel. Ă lâinverse, DĂ©mocrite et les autres fondateurs de lâĂ©cole des Atomistes mettent directement lâinfini dans leur physique et dans leur cosmologie. Ils Ă©laborent un systĂšme gĂ©nĂ©ral du monde constituĂ© dâun espace infini et peuplĂ© dâun nombre infini de ce quâils appellent des atomes, sans oublier un vide infini lui aussi. Lâhistoire va plutĂŽt retenir la conception dâAristote : celle-ci va sâimposer pendant des siĂšcles jusquâĂ ce que lâon 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 dâun infini potentiel. Cette distinction a-t-elle perdurĂ© ?
Oui, elle a perdurĂ©. Si la vision dâAristote sâest longtemps imposĂ©e, certains savants et notamment des mathĂ©maticiens en soulignaient les incohĂ©rences apparentes et tentaient de reformuler la possibilitĂ© dâun infini actuel. Mais le sujet Ă©tait dĂ©licat : les mathĂ©matiques nâĂ©taient pas claires et il Ă©tait thĂ©ologiquement dangereux de parler dâun infini actuel qui a longtemps Ă©tĂ© « rĂ©servĂ© » Ă Dieu. Giordano Bruno, pour avoir soutenu lâinfinitĂ© du monde, a dâailleurs 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 lâactualitĂ© de lâinfini dans les mathĂ©matiques, câest-Ă -dire la nĂ©cessitĂ© absolue de lâutilisation actuelle de lâinfini dans leurs dĂ©monstrations. Ă partir de lĂ , deux perceptions majeures sâaffrontent. La premiĂšre est celle des physiciens qui veulent Ă©liminer lâinfini de leurs thĂ©ories car, pour eux, lâinfini ne peut se rĂ©aliser dans la nature. La seconde est celle des mathĂ©maticiens qui, avec Georg Cantor (1845-1918), considĂšrent que lâinfini actuel existe en mathĂ©matiques.
Mais lâinfini actuel nâexisterait-il quâen mathĂ©matiques ?
Une premiĂšre remarque sâimpose. Distinguer comme nous le faisons un infini mathĂ©matique et un infini dans la nature pose un problĂšme fondamental : les mathĂ©matiques, nâest-ce pas aussi la nature ? Cette contradiction nâest toujours pas rĂ©solue.
Seconde remarque : il faut noter quâau sein mĂȘme des mathĂ©matiques, le statut actuel ou potentiel de lâinfini nâest pas clair. Certaines Ă©coles rĂ©flĂ©chissent dâailleurs 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 lâesprit humain ? On pourrait croire quâavec les travaux fondamentaux de Cantor ou de Gödel, par exemple, lâinfini actuel en mathĂ©matiques est acceptĂ© par tous, mais il nâen est rien. Il y a encore des Ă©coles â rappelons-nous les Intuitionnistes au dĂ©but du XXe siĂšcle â qui dĂ©nient toute actualitĂ© Ă lâinfini. La trĂšs grande majoritĂ© des physiciens conteste aussi toute rĂ©alitĂ© Ă lâinfini actuel. Il nâexisterait quâen 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. Câest, je pense, le seul domaine de la physique oĂč il y a, dans les modĂšles actuels, la possibilitĂ© dâun espace infini, dâun temps Ă©ternel. Ăternel dans le futur â et pas dans le passĂ©, Ă cause du big-bang â câest-Ă -dire dâun espace en extension perpĂ©tuelle. Aucune autre thĂ©orie de la physique ne lâadmet.
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 dâun espace infini et dâun temps Ă©ternel. Mais elle reconnaĂźt aussi la possibilitĂ©, dâailleurs de plus en plus favorisĂ©e par les rĂ©centes observations, dâun espace fini. Le temps, lui, peut rester Ă©ternel. Quelle est cette nouveautĂ© qui permet dâimaginer un espace fini mais sans limites ? Pour comprendre quâil nây a pas lĂ de contradiction, il convient dâintĂ©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 nâont pas de frontiĂšres. CâĂ©tait Ă©videmment tout Ă fait impensable dans le cas de la gĂ©omĂ©trie euclidienne oĂč lâon associait nĂ©cessairement lâinfini avec lâillimitĂ© et le fini avec la limite. On trouve dâailleurs cette erreur chez Kant.
Les outils mathĂ©matiques dâaujourdâhui, les gĂ©omĂ©tries non euclidiennes et la topologie, qui est une branche des mathĂ©matiques, permettent de construire dâune façon logique et sans aucune contradiction des modĂšles dâespace qui sont finis et nâont 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 lâUnivers. On peut tenter de se les reprĂ©senter sur un plan Ă deux dimensions, en imaginant la surface dâune sphĂšre. En tirant une ligne droite sur cette surface, on obtiendra un cercle qui est de longueur finie et qui nâa pas de limite. On ne tombe jamais dans le vide. En trois dimensions, lâĂ©quivalent de la sphĂšre sâappelle lâhypersphĂšre et offre une infinitĂ© dâautres espaces possibles qui sont tous finis et sans limites. Aujourdâhui, toute contradiction est donc levĂ©e quant Ă la correspondance entre la finitude et lâabsence de limite.
On a mis du temps Ă Ă©vacuer lâexistence dâun bord de lâespace et voilĂ que rĂ©apparaĂźt, avec les thĂ©ories du big-bang et lâexistence dâun temps zĂ©ro, la possibilitĂ© dâun bord temporel. Ne risque-t-on pas de lâinterprĂ©ter comme un bĂ©gaiement de la science ?
PlutĂŽt quâun bĂ©gaiement de la science, il y a dâabord peut-ĂȘtre lĂ lâindice dâune limitation du modĂšle. La thĂ©orie du big-bang nâest que lâune des consĂ©quences de la thĂ©orie de la relativitĂ© gĂ©nĂ©rale, issue des travaux dâEinstein, appliquĂ©e simplement Ă la description globale de lâUnivers. 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 lâĂąge de lâUnivers Ă partir de ce moment singulier, probablement vieux de quatorze milliards dâannĂ©es. Mais ce temps zĂ©ro pose un Ă©norme problĂšme : comment admettre un bord temporel ? Si lâon sâen tient Ă ce cadre strict des modĂšles de big-bang, le temps zĂ©ro nâa pas grand sens et pousse forcĂ©ment Ă sâinterroger sur lâavant big-bang. Mais cette interrogation est-elle justifiĂ©e en ces termes ? « Avant », câest dĂ©jĂ un terme temporel. Or, si le big-bang a créé le temps, on ne peut pas parler dâun avant le temps. Ăvidemment, cela heurte la physique et le bon sens.
Beaucoup de gens considĂšrent en fait que la thĂ©orie du big-bang nâest quâune 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 nâest pas complĂšte puisquâelle nâinclut pas les prĂ©ceptes de la physique quantique, câest-Ă -dire les propriĂ©tĂ©s de lâinfiniment petit⊠Beaucoup de physiciens fondamentaux cherchent donc aujourdâhui Ă unifier relativitĂ© gĂ©nĂ©rale et physique quantique, au sein de thĂ©ories que lâon appelle dĂ©jĂ de gravitĂ© quantique. Lâun des buts poursuivis serait justement dâĂ©liminer la notion de bord temporel et celle de temps zĂ©ro sans Ă©vincer pour autant lâidĂ©e gĂ©nĂ©rale dâun big-bang. Parti dâune phase trĂšs chaude et comprimĂ©e, lâUnivers serait en expansion. Mais le temps zĂ©ro au sens strict du terme et le point infiniment petit originel seraient Ă©liminĂ©s.
PlutĂŽt quâun bĂ©gaiement, voyons-y un signe intĂ©ressant : lâapparition de lâinfini fait progresser la physique.
Finalement, lâinfini nâest-il pas cet horizon inaccessible quâil faut Ă la fois toujours repousser et ne jamais voir sous peine de faire sâĂ©crouler la validitĂ© des thĂ©ories ?
Lâinfini, un peu comme le sphinx, renaĂźt toujours de ses cendres. Câest un moteur : lâĂ©limination de lâinfini par la physique, je ne parle pas des mathĂ©matiques, permet de fabriquer des thĂ©ories toujours plus perfectionnĂ©es. Mais jusquâoĂč ? Il y a aujourdâhui des physiciens, dont certains sont trĂšs connus, comme Stephen Hawking, qui prĂ©tendent que lâon aura trĂšs bientĂŽt une thĂ©orie dite de tout. Elle permettrait de comprendre en une poignĂ©e dâĂ©quation lâensemble 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 dâombre dans lesquelles lâinfini viendra en gĂ©nĂ©ral se cacher. Câest un fait heureux pour les physiciens : la recherche ne va pas sâarrĂȘter dans cinquante ans ! On peut dâailleurs trouver un sens profond derriĂšre tout cela : si lâinfini 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 lâUnivers. Ă partir du moment oĂč lâinfini 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 dâatomes, etc. Mais sans doute dâune autre façon, plus subtile et dĂ©guisĂ©e...
Votre ouvrage fait preuve dâun rĂ©el souci pĂ©dagogique et vulgarisateur tout en brassant des thĂšmes, des idĂ©es et des thĂ©ories complexes. Ă quels publics le destinez-vous ?
Il sâagit 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 jusquâĂ parfois se dĂ©couvrir une vocation. Les disciplines scientifiques sont un peu en dĂ©saffection aujourdâhui 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. Câest pourquoi nous mettons Ă©galement en avant le rĂŽle fondamental de lâimagination, de lâimaginaire, de la poĂ©sie et de la crĂ©ativitĂ© dans lâĂ©laboration 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 lâouvrage de nombreuses citations littĂ©raires...
Ces rĂ©flexions sur des thĂšmes a priori complexes sâinsĂšrent en fait dans une culture extrĂȘmement large qui doit se dĂ©barrasser des clivages entre les scientifiques, les littĂ©raires, les philosophes, etc. Lâapproche scientifique du monde a toujours eu des rĂ©sonances avec les grandes questions philosophiques et mĂ©taphysiques. Dâune certaine façon, faire de la science revient Ă reformuler des questions irrĂ©solues de la philosophie et de la mĂ©taphysique jusquâĂ obtenir une rĂ©ponse possible.
© DUNOD EDITEUR, 1er Octobre 2005
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Le site de JP Luminter :
http://www.luth.obspm.fr/luminet.html
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