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Astronomie, Histoire des sciences, Littérature

L’astronomie dans l’imaginaire collectif

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Comment l’homme se forge-t-il des images mentales du cosmos, et quelle place ces représentations occupent-elles dans son imaginaire, qu’il soit scientifique, artistique, philosophique ou tout simplement populaire ?

Dans cet ouvrage d’épistémologie publié en 1938, Bachelard met l’accent sur le rôle des archétypes de la pensée dans la transition entre l’esprit « préscientifique » et l’esprit « scientifique ».

Il est intéressant d’analyser les différentes façons dont le cosmos est représenté dans la culture savante ou populaire, individuelle ou collective, et de les mettre en rapport avec le développement des connaissances astronomiques, afin d’y déceler ce que Bachelard appelait des « archétypes de la pensée ».

L’astronomie a souvent fécondé l’imaginaire collectif, au point d’imprégner notre quotidien, par le biais de mots de vocabulaire, des usages et représentations qui leur sont liés.

Prenons l’exemple de l’étoile – l’objet astronomique à la fois le plus familier et le plus transcendant. Le mot provient du latin stella, qui désignait tout ce qui scintille.

Nous devons aux Arabes d’avoir baptisé la plupart des étoiles les plus brillantes. Qui n’a pas entendu parler d’Aldébaran, de Véga ou de Bételgeuse, ne serait-ce qu’au travers de noms de marques ou de slogans publicitaires ? Et on ne compte plus les lieux, places, rues, chemins, enseignes, baptisés Sirius, Antarès, Procyon, Rigel, Deneb, Capella ou Algol. Quant aux motifs étoilés à cinq, six, huit, dix branches ou davantage, ils se retrouvent dans un immense éventail de réalisations humaines : sculptures, architecture des espaces publics, guides touristiques, drapeaux. Pensons aussi aux voûtes de tant de monuments – chapelles médiévales, cathédrales, tombeaux de rois et d’empereurs – qui rappellent la présence permanence de la voûte étoilée au-dessus de nos têtes. Notons l’utilisation très répandue du mot « zénith » pour baptiser salles de spectacles et centres de congrès. Le zénith astronomique est le point de la sphère céleste situé à la verticale au-dessus de la tête d’un observateur, tandis qu’au figuré, il désigne le degré le plus élevé. Peu de rapport a priori avec les vastes édifices de rassemblement populaire, sinon que les spectacles qui s’y déroulent mettent en scène des « stars » brillant de façon éphémère au firmament de leur carrière…

 

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La révolution copernicienne chez les humanistes provençaux (5) : Cassini

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Suite du billet précédent La révolution copernicienne chez les humanistes provençaux (4) : Gassendi et fin

De la Provence à Paris : Cassini Ier

Concluons ce récit en évoquant plus brièvement la vie et l’œuvre de Gian-Domenico Cassini (1625-1712), astronome d’origine également provençale. Né à Perinaldo, alors dans le comté de Nice appartenant au Duché de Savoie, il est éduqué au collège jésuite de Gênes. Ses brillantes aptitudes le font remarquer d’un riche amateur de Bologne, le marquis Cornelio Malvasia. En 1644, ce dernier l’engage pour travailler à l’Observatoire de Panzano encore en construction. De nombreux instruments sont mis à sa disposition et il côtoie les pères jésuites Giovanni Riccioli et Francesco Grimaldi, deux astronomes de grande notoriété qui complèteront son éducation.

La qualité de ses observations et ses publications astronomiques de valeur lui valent d’être nommé professeur d’astronomie et de mathématiques à l’Université de Bologne, en 1650. Il a alors vingt-cinq ans.

Explication des mouvements planétaires selon Ptolémée dans un ouvrage de Cassini

Dans les états sous juridiction de l’église catholique romaine, il est obligé d’enseigner l’astronomie de Ptolémée. Cependant, après l’observation suivie de la comète de 1652-53, il est conduit à adopter le système géo-héliocentrique de Tycho Brahe, déjà favori des jésuites (il n’adhèrera au modèle copernicien que sur le tard).

Expert également en hydraulique et en ingénierie, Cassini acquiert une telle réputation que le sénat de Bologne et le pape le chargent de plusieurs missions scientifiques et politiques. Mais c’est l’astronomie qui l’occupe principalement. Il découvre la grande tache rouge de Jupiter en 1665, et détermine la même année la vitesse de rotation de Jupiter, Mars et Vénus.

La planète Jupiter et sa tache dessinée en Italie par Giovanni Cassini en 1666

Sa notoriété franchit les frontières et, en 1668, Colbert, qui recherche des savants étrangers pour la toute nouvelle Académie des Sciences parisienne, lui offre d’en devenir membre correspondant. Cassini accepte. Colbert l’invite alors à venir en France pour un séjour de durée limitée, afin de l’aider dans la construction du nouvel observatoire. Continuer la lecture →

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La révolution copernicienne chez les humanistes provençaux (4) : Gassendi

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Suite du billet précédent La révolution copernicienne chez les humanistes provençaux (3) : Peiresc

De l’astronomie à l’atomisme

Pierre Gassendi naît le 22 janvier 1592 près de Digne, dans les Alpes de Haute-Provence. Après avoir commencé ses études au collège de Digne, il suit des cours de philosophie à l’université d’Aix. En 1614, après l’obtention d’un doctorat de théologie à Avignon, il est nommé professeur de rhétorique et chanoine à Digne, puis professeur de philosophie à Aix, dont il semble avoir été chassé par la venue des jésuites. Il terminera sa vie le 24 octobre 1655 à Paris, après avoir été nommé, dix ans auparavant, professeur de mathématiques au Collège Royal (devenu depuis le Collège de France). Gassendi est le type même de l’humaniste polyvalent : il est à la fois astronome, mathématicien, philosophe, théologien et biographe[i]. Mais c’est en astronomie et en philosophie que ses travaux seront les plus durables.

Lieu de naissance de Gassendi à Champtercier, près de Digne. Lithographie de Victor Camoin, Musée Gassendi

Fils de cultivateurs peu aisés, Pierre Gassendi aurait dès son enfance contracté sa passion pour les choses du ciel en gardant les troupeaux de nuit. Toute sa vie il ne cessera d’observer, utilisant à la fois des lunettes et des instruments à pinnules. Pendant ce premier demi-siècle d’existence des lunettes, les deux méthodes se pratiquent en effet en parallèle : avec les lunettes on cherche à faire des découvertes, avec les instruments traditionnels comme le quart de cercle ou le rayon astronomique que l’on utilise à l’œil nu, on prend les mesures, ce que les lunettes ne permettent pas encore de faire[ii].

Dessin des taches solaires par Scheiner

Les taches solaires sont l’une des grandes nouveautés révélées par la lunette, mais dans un premier temps elles ne sont pas comprises. A l’époque de Gassendi, il faut multiplier les observations pour essayer de déterminer leur vraie nature. Les taches sont-elles sur la surface du soleil, ou de petits satellites tournant autour de lui ? Sont-elles des nuages, ou bien une imperfection de la lunette elle-même ? Gassendi commence ses observations en 1620 et en fait une longue série, avec un regain d’activité autour de 1626, l’année des premiers travaux de Christoph Scheiner (1575-1650) sur la question, qui prend les taches pour des satellites. Gassendi suit au contraire Galilée, en les considérant comme des marques sur la surface du soleil, et donc une preuve de la rotation de notre étoile. A partir de ses observations des taches, il détermine la vitesse de rotation du soleil, obtenant une estimation de 25 à 26 jours, résultat assez remarquable pour ces valeurs qui varient selon la latitude. Malheureusement, la plupart des observations solaires de Gassendi, faites avant la période où il a conservé systématiquement ses notes dans des cahiers, sont perdues. Par la suite, Gassendi devient l’un des premiers astronomes à comprendre l’importance que peut avoir un recueil d’observations. Le 27 septembre 1635, il écrit à Peiresc que « pour empêcher que ces papillotes ou plumitifs de mes observations ne s’égarent plus, j’ai commencé depuis quelque temps d’écrire le tout en une main de papier toute entière que j’ai cousue et couverte en parchemin à ce dessein. » Son diaire (journal astronomique) est né, en même temps que la reconnaissance de la nature essentiellement historique de l’astronomie, qui le poussera à organiser et préserver ses propres observations.

portrait de Gassendi, gravure de Claude Mellan – Musée Gassendi

J’ai parlé dans le billet précédent du projet d’atlas lunaire mené conjointement par Gassendi et Peiresc à partir de 1634. De septembre à décembre 1636, on peut suivre les observations de la lune dans le diaire de Gassendi. Hélas, la mort de Peiresc le 24 juin 1637 met un terme à la préparation de l’atlas. Le graveur Claude Mellan reste à Paris et Gassendi, très affecté, abandonne le projet. Comme il l’explique dans sa Vie de Peiresc, leur objectif, outre le pur intérêt astronomique, était d’ordre cosmologique, s’agissant de mettre en évi­dence le fait que le globe de la lune est sem­blable au globe terrestre, et d’avaliser l’intuition de Galilée sur la profonde unité entre la physique terrestre et la physique céleste. Continuer la lecture →

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La révolution copernicienne chez les humanistes provençaux (3) : Peiresc

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Suite du billet précédent (2) : L’apport de Galilée

Peiresc, le prince des curieux

Nicolas-Claude Fabri de Peiresc naît le 1er décembre 1580 à Belgentier, petite commune de Provence située entre Aix et Toulon. Sa vie nous est essentiellement connue par la biographie qu’en fit son grand ami Pierre Gassendi[i].

Le château de Peiresc à Belgentier (Var)

Adolescent, Peiresc est élève des jésuites dans leurs collèges d’Avignon puis de Tournon ; à l’âge de seize ans il y reçoit un enseignement d’astronomie, qui le passionne malgré l’austérité de cette science qui à l’époque se limite à inventorier les étoiles et, par des mesures d’angles à l’arbalestrille ou à l’astrolabe, à suivre leurs mouvements. Peiresc revient ensuite faire sa philosophie à Aix-en-Provence, puis se rend à Padoue pour étudier le droit, tout en suivant nombre d’autres enseignements.

L’humaniste Gian Vincenzo Pinelli, ami de Galilée et de Peiresc.

Il se lie rapidement avec l’humaniste italien Gian Vincenzo Pinelli (1535-1601), qui devient son maître et modèle. C’est de Pinelli, dont la bibliothèque aurait été la plus vaste du XVIe siècle, que Peiresc tirera son goût immodéré pour les livres et les cabinets de curiosité. C’est chez lui également qu’il rencontre pour la première fois Galilée, à qui Pinelli avait ouvert sa bibliothèque.

Après plus de trois ans passés en Italie et à la mort de Pinelli qui l’affecte profondément, Peiresc revient en France pour continuer ses études de droit. Il séjourne à Montpellier pour passer sa thèse de doctorat puis, après divers voyages à Paris, Londres et les Flandres, il est nommé conseiller au Parlement de Provence. L’astronomie va cependant rester l’une de ses occupations majeures : jamais il ne s’éloignera de cette discipline et, par périodes, lui consacrera toute son activité.

Portrait de Peiresc jeune

Dès l’automne 1604, Peiresc observe la rencontre des trois planètes supérieures Mars, Jupiter et Saturne, événement qui ne se produit que tous les huit cents ans et qu’on appelle la Grande Conjonction. En même temps paraît une étoile de la grandeur de Jupiter, qu’on voit plus d’un an à l’un des pieds de la constellation du Serpentaire. Peiresc n’ayant pas encore de globe céleste pour s’assurer du nombre des étoiles fixes, croit qu’il s’agit d’une étoile déjà répertoriée par les Anciens. Cependant, par les lettres qu’il reçoit quelques mois après, il apprend qu’il s’agit d’une nouvelle étoile, que Galilée observe en même temps que lui et dont l’apparition porte un coup de plus à la doctrine aristotélicienne de l’immuabilité du ciel des fixes. Ces « étoiles nouvelles » sont appelées de nos jours des supernovæ. Celle observée par Peiresc est connue sous le nom de « supernova de Kepler », car ce dernier l’observa pendant près d’un an et en tira d’intéressantes leçons.[ii] Continuer la lecture →

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La révolution copernicienne chez les humanistes provençaux (2) : L’apport de Galilée

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Suite du billet précédent : Montaigne

La révolution galiléenne

Au cours des soixante années qui suivent la publication du De revolutionibus, seule une poignée d’astronomes répartis en Europe mesurent l’importance de la thèse copernicienne et s’attachent à la défendre, voire à l’adopter et à l’améliorer : William Gilbert et Thomas Digges en Angleterre, Galileo Galilei dans la très catholique Italie, Georg Joachim Rheticus, Michael Maestlin, Christophe Rothmann et Johannes Kepler en pays luthériens. Ils doivent cependant faire face aux virulentes critiques adressées à la doctrine du double mouvement de la Terre, jugée absurde. Reprenant l’argumentation d’Osiander, la majorité des savants de l’époque ne retiennent en effet de l’œuvre copernicienne que l’ingénieuse fiction mathématique permettant de faciliter et d’améliorer les calculs d’éphémérides célestes. En témoignent les nouvelles tables astronomiques dites Pruténiques, élaborées en 1551 par Erasmus Reinhold et s’appuyant sur la théorie héliocentrique, qui s’avèrent légèrement supérieures aux séculaires Tables Alphonsines fondées sur le système géocentrique de Ptolémée.

Ce sentiment de défiance est conforté par le Danois Tycho Brahé (1546-1601), le plus célèbre astronome de son temps réputé pour l’extrême qualité de ses observations. S’il admire l’œuvre du chanoine polonais, il ne peut en aucune manière adhérer au géocinétisme, raison pour laquelle il propose en 1583 un modèle dit géo-héliocentrique, système mixte dans lequel la Terre est immobile, la Lune, le Soleil et les étoiles fixes tournent autour d’elle, mais les cinq planètes tournent autour du Soleil. Ce confortable et astucieux compromis, qui lui permet de rester fidèle aux principes de la physique aristotélicienne et à l’interprétation théologique de la Bible, recueille rapidement l’aval de la majorité des astronomes, des philosophes et des théologiens de l’époque, qu’ils soient catholiques ou réformés. Continuer la lecture →

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La révolution copernicienne chez les humanistes provençaux (1) : Montaigne

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Début d’une série de billets adaptés d’un article paru en anglais dans la revue Inference

Le Soleil fixe au milieu des planètes

Dans le premier livre, je décris toutes les positions des orbes, ainsi que les mouvements que j’attribue à la Terre, afin que ce livre contienne pour ainsi dire la constitution générale de l’univers.
Nicolas Copernic, lettre-préface au pape Paul III, Des révolutions des orbes célestes, 1543 (trad. A. Koyré, Paris, Alcan, 1934)

Manuscrit du Commentariolus

L’œuvre princeps du chanoine polonais Nicolas Copernic (1473-1543), De Revolutionibus orbium cœlestium[i], publiée l’année même de sa mort, a été le fruit d’un long travail préparatoire présenté pour la première fois en 1515 sous forme réduite et manuscrite dans le Commentariolus[ii], diffusé uniquement auprès d’un cercle restreint d’intellectuels. Le traité astronomique complet de 1543 est considéré par les historiens modernes comme étant à l’origine de la vision moderne de l’univers. Il a pour objet d’attaquer, en vue de la remplacer, la thèse géocentrique consacrée par Aristote quelque deux mille ans plus tôt, et confortée par l’astronome alexandrin Claude Ptolémée dans son célèbre Almageste, prestigieux monument de science observationnelle et mathématique écrit dans les années 140 de notre ère, et qui depuis lors régnait sur l’astronomie occidentale et arabe.

Conscient des imperfections du système géocentrique de Ptolémée et soucieux de trouver une harmonie géométrique dans l’organisation du cosmos, Copernic réintroduit le système héliocentrique, modèle astronomique déjà évoqué dans l’Antiquité mais resté en sommeil, selon lequel le Soleil est au centre géométrique du monde tandis que la Terre tourne autour de lui en un an et sur elle-même en un jour. Ravalée au rang de simple planète, c’est-à-dire d’astre errant au même titre que Mercure, Vénus, Mars, Jupiter et Saturne, notre planète cesse ainsi d’occuper une position cosmologique privilégiée.

Dans la seconde moitié du XVIe siècle, le premier à mentionner le nom de Copernic en France est Omer Talon (1510-1562), un disciple de Petrus Ramus, dans les Academicae questiones de 1550 : la réception est plutôt favorable, car les ramistes sont hostiles à Aristote[iii]. En revanche, peu de ses contemporains prennent Copernic au sérieux, et les jugements sur l’héliocentrisme sont majoritairement négatifs. On lit notamment des railleries à l’égard de la thèse copernicienne chez les poètes de La Pléiade, comme le célèbre Du Bartas[iv] ou le moins connu Jean Bodin[v]. De fait, la doctrine de Copernic, jugée absurde car contraire à l’évidence sensorielle de l’immobilité terrestre, se répand très lentement ; le terme même de « révolution scientifique » qui lui est attaché n’a fait son apparition qu’au XXe siècle sous la plume de l’épistémologue Thomas Kuhn[vi].

Guillaume de Salluste seigneur du Bartas (1544-1590)

Il se trouve entre nous des esprits frénétiques
Qui se perdent toujours par des sentiers obliques
Et, de monstres forgeurs, ne peuvent point ramer
Sur les paisibles flots d’une commune mer.
Tels sont comme je crois ces écrivains qui pensent
Que ce ne sont pas les cieux ou les astres qui dansent
A l’entour de la terre, mais que la terre fait
Chaque jour naturel un tour vraiment parfait.
Guillaume de Salluste du Bartas, La Sepmaine ou création du monde, 1578.

Cependant, Michel de Montaigne (1533-1592) fait figure d’exception en soutenant, dans ses Essais, non seulement la thèse héliocentrique, mais en percevant aussi l’œuvre de Copernic comme une révolution scientifique en train de s’accomplir. Pour en comprendre les raisons profondes, il faut rappeler la position fondamentalement sceptique de Montaigne concernant la philosophie de la connaissance.

Le système héliocentrique de Copernic, déjà proposé dans l’Antiquité par Philolaos et Aristarque de Samos

Exercice de jugement sceptique sur l’astronomie

Montaigne reçoit une éducation humaniste dès son plus jeune âge ; il fait une carrière de magistrat, exerce la fonction de maire de Bordeaux et prend sa retraite à l’âge de trente-sept ans pour écrire et réviser, de 1571 à sa mort, les fameux Essais, qui sont des exercices de jugement. Continuer la lecture →

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Mes romans (7) : Ulugh Beg, l’astronome de Samarcande

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Ulugh Beg, l’astronome de Samarcande

310 pages, JC Lattès, Paris, 2015 – ISBN 978-2709644839

CouvertureEn 1429, Samarcande, escale majeure de la route de la soie connaît une animation encore plus vive qu’à l’ordinaire. Le plus grand observatoire jamais conçu vient d’être inauguré. Les ambassadeurs du monde vont contempler un immense sextant de 80 mètres de haut et 40 mètres de rayon plongeant dans une fosse vertigineuse, un gigantesque cadran solaire dont les parois externes sont couvertes d’une vaste fresque représentant le zodiaque et qui recèle les plus perfectionnés des instruments de mesure du temps et de l’espace : sphères armillaires, clepsydres, astrolabes…
Le promoteur de ce prodige architectural, mais aussi le directeur de l’observatoire n’est autre que le prince et gouverneur de Samarcande, Ulugh Beg, le petit-fils du conquérant redoutable qui mit tout l’Orient à feu, de l’Indus au Jourdain : Tamerlan.
Amoureux des sciences et du ciel, piètre politique et militaire – ce qui lui coûtera la vie -, Ulugh Beg entouré des meilleurs astronomes de son temps, va calculer la position de mille étoiles et rédiger un ouvrage majeur : les tables sultaniennes qui fascineront les savants, les lettrés et les voyageurs du monde entier.
C’est l’histoire totalement hors du commun de ce savant poétique et rigoureux que Jean-Pierre Luminet nous invite à découvrir dans une fresque romanesque épique, au cœur d’un monde de grandes étendues désertiques, de cités au raffinement incomparable et de guerres permanentes où, cependant, l’homme continue plus que jamais sa conquête de la science et des étoiles.

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Mes romans : Les bâtisseurs du ciel (l’intégrale)

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Les Bâtisseurs du ciel (l’intégrale)

EAN : 9782709636377 – Parution : 10/11/2010
1640 pages

Batisseurs-couvRassemblés en un volume, les quatre grands romans de Jean-Pierre Luminet consacrés à ceux qui ont totalement changé notre vision de l’univers : Copernic, Kepler, Tycho Brahé, Galilée, Newton.
« Au cours du XVIe et du XVIIe siècle, une poignée d’hommes étranges, des savants astronomes, ont été des précurseurs, des inventeurs, des agitateurs de génie. Ce qu’on ignore généralement – peut-être parce que leurs découvertes sont tellement extraordinaires qu’elles éclipsent les péripéties de leur existence – c’est qu’ils ont été aussi des personnages hors du commun, des caractères d’exception, des figures romanesques dont la vie fourmille en intrigues, en suspense, en coups de théâtre… »
La série Les Bâtisseurs du ciel est un hymne à la science, au plaisir et à la hardiesse.

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DOSSIER DE PRESSE

« Vulgarisateur surdoué et passionné, Jean-Pierre Luminet nous ouvre les portes de la nuit. »
Télérama

« Dans ses romans s’expriment toute la précision et la clarté du scientifique. »
Le Monde” Continuer la lecture →

Histoire des sciences, Littérature

Les péchés d’Isaac Newton, né le jour de Noël 1642

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Ce jour de Noël 2016 est propice pour rappeler quelques éléments de la vie et de la personnalité pour le moins étrange du jeune Isaac Newton. Celui qui deviendra le plus grand et plus influent savant de l’Histoire est né en effet le jour de Noël 1642 au manoir de Woolsthorpe, près de Grantham dans le Lincolnshire. Cette date est celle du calendrier julien encore en vigueur en Angleterre. Il le restera jusqu’en 1752, les Anglais préférant, selon Johannes Kepler, « être en désaccord avec le Soleil plutôt qu’en accord avec le pape »! Dans le calendrier grégorien, auquel le reste de l’Europe était passée depuis 1582, le 25 décembre 1642 correspond en réalité au 4 Janvier 1643. Mais l’histoire est trop belle pour ne pas être racontée le jour de Noël, car cette date on ne peut plus symbolique a joué un rôle capital dans la construction de la structure mentale pour le moins curieuse d’Isaac Newton.

Ma photographie du manoir de Woolsthorpe prise en septembre 2014, à l’occasion du tournage d'un épisode de la série Entre Terre et Ciel pour la chaîne Arte.
Ma photographie du manoir de Woolsthorpe prise en septembre 2014, à l’occasion du tournage d’un épisode de la série Entre Terre et Ciel pour la chaîne Arte.

Newton est né le même jour que le Christ. Et comme lui, son père était déjà aux cieux. N’a-t-il donc pas été engendré par les puissances astrales, du moins symboliquement ? Et l’anagramme de son nom, Isaacus Neuutonus, n’est-il pas Ieoua Sanctus Unus, « Yahvé seul Saint », comme il l’a lui-même souligné dans ses écrits ?

De fait, Newton sera profondément religieux toute sa vie, et passera plus de temps à l’étude de la Bible que de la science. Mais, selon les historiens, il était hérétique, adepte du socinianisme, de l’arianisme et de l’antitrinitarisme, trois formes ancestrales de ce que l’on nomme aujourd’hui l’unitarisme. Il parvint à cette conclusion non pas sur des bases rationnelles ou des doutes sur la foi, mais en interprétant à sa façon les anciennes autorités religieuses. Il se persuada que les documents révélés ne donnaient aucun support aux doctrines de la Trinité, lesquelles étaient dues, selon lui, à des falsifications tardives des Pères de l’Eglise. Pour lui, le Dieu révélé était un seul et unique Dieu.

Voici comment, dans mon roman La Perruque de Newton, j’ai tenté de traduire les linéaments de sa pensée mêlant théologie, numérologie et chronologie biblique.

« Il lui faut relever les altérations commises par Athanase, Grégoire et Jérôme sur les écrits bibliques, ces faussaires qui ont osé tricher avec les Écritures. Tout est là, pense-t-il. Toute la grande apostasie s’est passée en cet an 325, au concile de Nicée, quand les évêques ont décidé que le Père et le Fils étaient de la même substance et ont inventé la Trinité, cette nouvelle forme de polythéisme, et ils ont excommunié Arius, qui prêchait que le Père était Un. Certes, Jésus avait reçu le Verbe divin au temps de la Passion, mais ce n’était qu’un homme, un prophète, fût-il le premier d’entre eux. Newton ajoute donc à cette date le temps de vie des deux « témoins », comme il est dit dans Apocalypse 11-3 : 1260 jours, qu’il faut bien sûr convertir en années. Mais le résultat donne une date sans signification réelle, même en y ajoutant les 3 jours, ou plutôt les 3 ans, que durerait leur mort. Newton se plonge alors dans l’histoire des siècles obscurs qui ont suivi la grande apostasie du concile de Nicée. Une date arrête son attention : l’an 380, quand l’empereur Théodose se convertit à l’hérésie trinitaire et ordonne qu’elle soit la religion de tout l’empire romain. Or, 380 + 1260 + 3 = 1643 : la date de naissance d’un certain Isaac Newton à Woolsthorpe, à quelques jours près !

Ce choc des dates l’effraye d’abord, puis dissipe tous ses doutes : il est bien le nouvel Élu, le nouveau Messie venu annoncer la fin des temps. Le nouveau Christ donc, fondateur sacrifié d’une nouvelle alliance entre l’homme et le monde…

Newton ne peut se contenter d’enregistrer passivement cette coïncidence. Il doit n’y avoir qu’un seul Isaac, un seul Élu né le jour de Noël, un seul Prophète de la nouvelle philosophie naturelle. Il entreprend alors de démontrer, par une de ces minutieuses reconstitutions chronologiques dont il a le secret, que Jésus est né non pas à la date fixée par la tradition, mais au printemps. Et dans le manuscrit explicatif qu’il rédige dans la foulée, mais qu’il enferme soigneusement dans sa malle secrète, il laisse des blancs au milieu des phrases pour ne pas avoir à écrire le nom de ce nouveau rival, le Christ ! »

Portrait de Newton par Kneller
Portrait de Newton par Kneller

A cette époque réputée pour son intolérance religieuse, il existe peu de traces de l’expression publique des vues théologiques radicales de Newton, les plus notables étant ses refus de l’ordination et, sur son lit de mort, celui du dernier sacrement. Toujours est-il que Newton adoptera « un positivisme méthodologique », en vertu duquel il reconnaîtra l’autonomie du discours scientifique sans impliquer pour autant un renoncement à l’arrière-plan métaphysique et théologique. C’est ainsi que, bien que la loi universelle de la gravitation soit sa découverte la plus connue, Newton met en garde ceux qui verraient l’Univers comme une simple machine (à cet égard il voua toute sa vie une véritable haine théologique envers Descartes). Il affirme ainsi : « La gravité explique le mouvement des planètes, mais elle ne peut expliquer ce qui les mit en mouvement. Dieu gouverne toutes choses et sait tout ce qui est ou tout ce qui peut être ».

Dans un précédent billet de blog, j’ai conté l’épisode semi-légendaire de la découverte de la gravitation universelle à la suite de l’observation de la chute d’une pomme dans son verger de Woolsthorpe. Du pommier de Newton, passons donc maintenant aux péchés de Newton (pardon pour le mauvais jeu de mots, j’ai écrit ce billet en pleine nuit, après un dîner de réveillon bien arrosé !).

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Astronomie, Sciences

On n’est pas sérieux quand on a 17 ans ? Questions d’un lycéen

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Il y a quelques semaines,  un étudiant espagnol de 17 ans  en préparation d’un double diplôme  du bachillerato espagnol et du bac français (le Bachibac), m’a écrit pour me dire qu’il avait choisi pour son travail de recherche le thème de l’énigme de l’univers.  Voici le questionnaire qu’il m’a envoyé, et les réponses que je lui ai données.  Cela peut servir pour tous les jeunes du même âge… au cas où ils liraient mon blog! On n’est pas sérieux quand on a 17 ans, écrivait Rimbaud. Vraiment ?

1/ Pour quoi êtes-vous devenu un scientifique ?

J’ai longtemps hésité entre les disciplines artistiques, que j’ai aussi beaucoup pratiquées (littérature, musique, peinture), et les sciences. J’ai fini par choisir ces dernières compte tenu de mes études de mathématiques, et lorsque j’ai compris que la recherche scientifique pouvait être aussi créative et imaginative que la pratique artistique.

2/ Si vous devriez recommencer à zéro vos études, est-ce que vous choisiriez le même domaine ?

Probablement oui. Mais, si les conditions familiales avaient été favorables, je serai peut-être devenu compositeur de musique, pianiste ou chef d’orchestre.

3/ À votre avis, quelle est la relation entre la physique et la philosophie ?

Relation variable selon les époques. Essentielle depuis l’Antiquité jusqu’au siècle des Lumières, séparée jusqu’au milieu du XXe siècle. Mais comme la physique quantique et la relativité générale remettent en cause les concepts même d’espace, de temps, de matière et de réalité, on assiste à un regain d’intérêt de certains philosophes pour la science, même s’ils n’ont généralement pas les outils techniques pour la comprendre vraiment.

4/Beaucoup des scientifiques affirment que pour arriver à découvrir, savoir comme répondre aux questions déjà formulées n’est pas assez, savoir comment les formuler est aussi nécessaire. Qu’est-ce que vous en pensez ?

C’est évident. J’ajouterai même qu’un grand scientifique doit être capable d’imaginer des questions qui n’avaient jamais été posées auparavant. Continuer la lecture →

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La mort de Tycho Brahe (24 octobre 1601)

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Hommage à Tycho Brahe, astronome danois mort le 24 octobre 1601 à Prague.

Le texte qui suit conte les derniers jours de la vie de Tycho Brahe. Il reproduit, agrémenté d’images, le dernier chapitre de mon roman La discorde céleste, paru en  2008 aux éditions J.C. Lattès, repris en Livre de Poche en 2009 et dans l’ouvrage complet Les Bâtisseurs du ciel (J.C. Lattès, 2010). Il existe également une traduction en espagnol, titrée El Tesoro de Kepler (Ediciones B, 2009)

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 Afin de mieux suivre le déroulement du récit, je donne en préambule un bref rappel sur les personnages mis en jeu (parfaitement historiques, bien qu’il s’agisse d’un roman)

Personnages

tycho_brahe1Tycho Brahé (1546-1601). Astronome danois, qui se fit connaître par la description de l’étoile nouvelle apparue en 1572. Il put ensuite mener ses travaux grâce à l’octroi par le roi Frédéric II de Danemark d’un domaine sur l’île de Hven, où il fit construire le mythique observatoire d’Uraniborg. Là, entouré d’étudiants, de savants et de princes, Brahé accumula pendant vingt ans des mesures à l’œil nu d’une incroyable précision, notamment sur les positions de la planète Mars. N’admettant pas le système de Copernic, il chercha un compromis et le combina à l’ancien système de Ptolémée : pour lui, les cinq planètes connues tournaient autour du Soleil, l’ensemble faisant lui-même le tour de la Terre immobile. Dépossédé de ses biens, il quitta le Danemark et, en 1599, devint le mathématicien impérial de l’empereur Rodolphe II à Prague. C’est là qu’il fut assisté par Johann Kepler, au cours d’une collaboration orageuse. A sa mort brusquement survenue en 1601, il fut enterré en grande pompe à l’église Notre-Dame de Tyn à Prague. Johann Kepler lui succéda comme mathématicien impérial et utilisa ses données pour développer ses propres théories sur l’astronomie.
Christine Brahé, née Jorgensdatter (1549-1604), fille de paysan et épouse morganatique de Tycho, survécut trois ans à son mari et fut enterrée auprès de lui. Les fils de Tycho Brahé, Tyge (1581-1627) et Jorgen (1583-1640), ne tinrent pas les promesses que leur père avait placées en eux, Tyge s’occupant des finances et Jorgen d’alchimie et de médecine. Ses filles Madeleine (1574-1620), Sophie (1578-1655) et Cécile (1580-1640) eurent une jeunesse délurée, tandis qu’Elisabeth (1579-1613), mise enceinte par le secrétaire de Tycho, Franz Tengnagel, dut épouser ce dernier dans la quasi-clandestinité.

keplerJohannes Kepler (1571-1630). Mathématicien, astronome et physicien, le plus prolifique de l’histoire avec Newton et Einstein. Il est surtout connu pour avoir découvert que les planètes ne tournent pas en cercle autour du Soleil, mais en suivant des ellipses. Ses innombrables découvertes passèrent à peu près inaperçues des autres savants de son temps, notamment de Galilée. Mais Newton en comprit toute la valeur, et elles lui fournirent la base de la découverte du principe de la gravitation universelle.. Issu d’un milieu extrêmement défavorisé, et après une enfance difficile marquée par la pauvreté et les maladies, Kepler réussit à rejoindre l’université de Tübingen, où Michael Maestlin l’initia aux doctrines de Copernic. Après avoir enseigné les mathématiques à Gratz, il fut appelé à Prague auprès de Tycho Brahé pour devenir son principal assistant et donner forme à ses milliers d’observations astronomiques. Mais Tycho Brahé n’étant pas copernicien, leur collaboration fut une longue discorde. À la mort de ce dernier en 1601, Kepler lui succéda comme astronome de l’empereur Rodolphe II. Il conserva la même fonction auprès de l’empereur Mathias (1612-19), puis auprès de Ferdinand II en 1619, et en 1628 auprès du duc de Wallenstein. Pris dans la tourmente de la Guerre de Trente Ans, il mourut épuisé par la fatigue et la misère.

barbara-kepler-detailBarbara Kepler, née Mulleck ou Müller (1573-1611) épousa Johann Kepler en 1597 à l’âge de 24 ans, après avoir déjà été deux fois veuve. Sa fille Regine, issue d’un premier mariage, fut élevée par le couple. Barbara eut avec Johann cinq enfants, dont deux moururent au berceau. Fière et acrimonieuse, Barbara harcela Johann toute sa vie, devint folle et mourut en 1611, suivie de près dans la tombe par un de ses fils.

rudolfiiRodolphe II de Habsbourg (1552-1612), petit-fils de Charles Quint, roi de Bohème et de Hongrie, puis Empereur du Saint Empire romain germanique de 1576 à 1612. Protecteur des arts et des sciences (Arcimboldo, Tycho Brahe, Kepler) mais introverti et mélancolique, sujet à des accès de folie. Féru d’ésotérisme, il s’entoura d’une cour de mages, alchimistes et astrologues. Son incapacité à régner fut le prélude à la guerre de Trente Ans.

Thaddeus Hajek

Thaddeus Hajek, dit Hagecius (1525-1600), humaniste, astronome et médecin personnel de l’empereur Rodolphe II qui le fit chevalier. Après avoir publié des travaux sur la supernova apparue en 1572 dans la constellation de Cassiopée, il eut une correspondance scientifique suivie avec Tycho Brahe, et joua un rôle important en persuadant Rodolphe II d’inviter Brahe (et plus tard Kepler) à Prague.

jesseniusJan Jesensky, dit Jessenius (1566-1621), médecin, philosophe et homme politique. Professeur d’anatomie à l’Université de Wittenberg, puis doyen de l’université de Prague, il effectua la première dissection publique d’un corps humain en 1600, en présence de l’empereur Rodolphe. C’est lui qui prononça l’oraison funèbre de Tycho, mentionnant la rétention d’urine comme cause de sa mort.

Pierre de RosenbergPetr Vok, baron Pierre de Rosenberg  (1539 –1611), puissant seigneur de la Cour de Rodolphe, représentant de la noblesse tchèques faisant partie des catholiques modérés. En 1601, en proie à des difficultés financières, il dut vendre à Rodolphe II le célèbre château familial de Krumlov.

Minkowitz, conseiller impérial de Rodolphe II.

Franz Tengnagel  (1576-1622), noble de Westphalie, « intendant » de Tycho à partir de 1595 à Hven, Wandsbeck et Prague. Intriguant, il épousa sa fille Elisabeth Brahe après l’avoir mise enceinte. A la mort de Tycho, il mena une carrière politique auprès des Habsbourg. En 1609 il écrivit une brève et prétentieuse préface au génial traité de Kepler, Astronomia Nova.

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Tycho avait assisté, l’après-midi, en compagnie de l’empereur et d’une bonne partie de la cour, à la première dissection en public d’un cadavre humain, par son ami le doyen de la faculté de médecine de Prague : le professeur Jessenius. A la fin de la leçon d’anatomie, Rodolphe, en proie à une profonde mélancolie, avait désiré s’isoler au lieu de débattre de cette séance avec l’aréopage de savants et d’artistes qui l’entourait toujours. Kepler, trop sensible, avait dû quitter l’amphithéâtre au premier coup de scalpel. Or, c’était avec lui que Tycho aurait aimé philosopher sur le sujet. Depuis le retour de son assistant, un mois après le mariage très discret d’Elisabeth et de Tengnagel, il ne pouvait plus se passer de lui, goûtant sa conversation plus que tout au monde, d’accord sur tout, sauf bien sûr l’héliocentrisme, auquel il résistait farouchement. Il arrivait à l’improviste dans l’appartement de Johann, s’invitait à table, couvrait Barbara et Régine de cadeaux et d’attentions, veillant à ce qu’elles ne manquent de rien. Et quand l’empereur le convoquait, ce qui arrivait de plus en plus souvent, il forçait Kepler à l’accompagner, malgré le peu de goût que celui-ci avait pour le cérémonial.

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Eclipses intellectuelles

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Ceci est, inhabituellement chez moi, un petit billet d’humeur. Je m’y élève  avec quelque retard contre les égarements de certains technocrates de l’éducation nationale. Ils sont si nombreux, ces égarements,  que je n’en citerai qu’un ici.  La scène s’est déroulée en mai dernier, lorsque fut annoncé un passage de Mercure devant le Soleil se produisant le 9 de ce mois, événement astronomique intéressant et pouvant faire l’objet d’activités ludiques,  pédagogiques – et donc instructives – pour nos chères têtes blondes, brunes ou rousses. J’y ai d’ailleurs à l’époque consacré deux billets sur ce même blog, ici et là.

Or, j’avais appris qu’une certain directeur académique des services de l’Éducation nationale pour la Haute Garonne, serviteur zélé du Ministère de la Déséducation Nationale, avait donné pour directive aux enseignants de garder les enfants en classe durant tout la durée du phénomène, par mesure de précaution cf. cette circulaire.

Le même genre de recommandation aberrante  émanant “d’en haut” – accompagnée d’un texte en tous points semblable – avait déjà été préconisée lors d’une éclipse solaire en  2015, et répercutée dans de nombreuses académies (dont celle de Nice) .

De nombreuses associations s’étaient élevées contre ce type de directives. Pour ma part, mon sang n’ayant fait qu’un tour, voici la lettre que j’avais illico adressée à ce gardien de l’ordre. Lettre évidemment restée sans réponse… Continuer la lecture →

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L’univers holographique (6) : Black Holism

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Suite du billet précédent : L’univers holographique (5) : la quête des dualités ET FIN

Dans son livre, le brillant physicien canadien Lee Smolin s'élève contre l'hégémonie de la théorie des cordes et analyse les aspects sociologiques de la recherche fondamentale.
Dans son livre, le brillant physicien américain Lee Smolin s’élève contre l’hégémonie de la théorie des cordes et analyse les aspects sociologiques de la recherche fondamentale.

La correspondance AdS/CFT, et plus généralement les dualités holographiques, ont soulevé énormément d’enthousiasme dans la communauté des cordistes, suscité des milliers de publications et des centaines de thèses de doctorat – ce qui après tout constitue l’activité courante et « normale » de la recherche scientifique. On peut cependant rester perplexe devant un tel phénomène qui, au-delà de l’intérêt technique certain qu’il peut représenter, relève surtout d’une certaine dérive sociologique pointée du doigt par d’éminents chercheurs de la discipline[1].

Au crédit de la correspondance, il faut reconnaître qu’elle permet de troquer certains calculs difficiles, voire impossibles, contre des calculs plus faciles. A minima, la dualité holographique apparaît comme un intéressant outil de calcul en physique fondamentale. Le “dictionnaire” qu’elle propose entre le monde en espace-temps plat et le monde courbe où se trouve la gravitation fonctionne dans les deux sens. Certains calculs sont plus simples avec la supergravité que dans la théorie de jauge duale, de sorte qu’aucun de ces mondes n’est plus fondamental que l’autre. Mais ce n’est pas parce que l’on peut considérer des calculs plus simplement dans un espace-temps plat, sans gravitation et de plus basse dimension que celui de la théorie des cordes, qu’il en découle que la réalité cosmique est un hologramme ! On peut entièrement encoder la topographie 3D d’un terrain dans une carte 2D sur laquelle le relief est indiqué par des courbes de niveau (un encodage bien utile aux randonneurs), mais, selon le célèbre aphorisme d’Alfred Korzybski, il ne faut jamais perdre de vue que « la carte n’est pas le territoire »[2].

Une vue bien naïve de l'holographie appliquée à l'univers dans son ensemble, ce qu'on appelle en anglais du "wishful thinking"...
Une vue bien naïve de l’holographie appliquée à l’univers dans son ensemble, ce qu’on appelle en anglais du “wishful thinking”…

A son crédit également, et là je parle en ardent pratiquant de la théorie de la relativité générale classique dont nous célébrons cette année le centenaire[3], la dualité jauge/gravité a conféré à la théorie d’Einstein un statut beaucoup plus large. L’édifice intellectuel de la relativité générale a certes connu de remarquables succès au cours du siècle dernier, et fourni un édifice crucial pour toute la partie de la physique théorique traitant de la gravitation. La révolution conceptuelle qu’elle a entraînée sur la nature de l’espace et du temps a rendu la théorie populaire, au point qu’il serait difficile de trouver aujourd’hui une personne possédant un minimum de culture scientifique mais n’ayant jamais entendu parler de la théorie d’Einstein.

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L’univers holographique (5) : La quête des dualités

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Suite du billet précédent : L’univers holographique (4) : la conjecture de Maldacena

Des centaines de chercheurs ont exploré les conséquences de la conjecture de Maldacena, avec l’espoir que la dualité jauge/gravité, sous sa forme la plus générale, puisse établir une sorte de dictionnaire pratique entre les propriétés d’un système physique en gravitation quantique, décrit par la théorie des cordes dans un espace courbe de dimensionnalité élevée (la Matrice), et un autre système physique, plus simple celui-là, décrit quantiquement par une théorie de jauge sur l’enveloppe de la Matrice – espace plat de dimensionnalité moindre. Il existe notamment une approche en théorie M,  développée en 1997 et baptisée BFSS[1], destinée à fournir une formulation numériquement calculable, qui a en outre le mérite d’établir un lien avec l’approche a priori différente de la géométrie non-commutative d’Alain Connes – pour plus de détails voir l’excellent billet de L. Sacco sur Futura Sciences.

L’avantage serait évident : certains calculs très complexes – voire impossibles – en gravité quantique pourraient être menés de façon plus simple dans le cadre de la théorie de jauge, comme on l’a vu dans le billet précédent  pour l’évaporation quantique d’un trou noir dans AdS5. Inversement, quand les champs de la théorie quantique sont fortement couplés (comme dans le plasma quark-gluon, voir ci-dessous), ceux de la théorie gravitationnelle interagissent faiblement et pourraient être plus facilement appréhendés mathématiquement. Cette dualité forte/faible permet ainsi d’explorer des aspects complexes de la physique nucléaire et de la physique de la matière condensée, en les traduisant en termes de théorie des cordes à haut degré de symétrie, plus aisément traitable.

Les possibles réalisations de la dualité jauge-gravité font aujourd’hui l’objet d’ambitieux programmes théoriques, rattachés à trois vastes domaines de la physique :

  • physique nucléaire, avec notamment l’étude du plasma quark-gluon (programme AdS/QCD)
  • physique de la matière condensée, avec l’étude des états exotiques de la matière (programme AdS/CMT)
  • relativité générale et cosmologie, avec les programmes Kerr/CFT et dS/CFT.

Développons brièvement chacun de ces programmes, en mentionnant leurs succès et leurs échecs. Continuer la lecture →

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L’univers holographique (4) : La conjecture de Maldacena

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Suite du billet précédent : L’univers holographique (3) : De l’entropie à l’hypothèse holographique

Juan Maldacena en 2013
Juan Maldacena en 2013

Confrontés à la difficulté d’appliquer le principe holographique à un modèle d’univers réaliste, les physiciens se sont tournés vers des modèles d’univers simplifiés, dans lesquels le principe pourrait s’appliquer. La première réalisation concrète a été l’œuvre du jeune chercheur argentin Juan Maldacena qui, en novembre 1997, publia un résultat étonnant, assorti d’une audacieuse conjecture mathématique[1].

Considérant un trou noir dans un modèle d’espace-temps à cinq dimensions macroscopiques caractérisé par une géométrie dite anti-de Sitter, il montra que les détails des phénomènes se déroulant dans cet univers, décrits par la théorie des cordes et incluant donc la gravitation, étaient entièrement codés dans le comportement de certains champs quantiques (non gravitationnels) se déroulant sur la frontière quadridimensionnelle de cet univers.

Vue d'artiste de l'équivalence
Vue d’artiste de l’hypothèse de Maldacena

L’espace-temps de de Sitter est une solution exacte des équations de la relativité générale ordinaire découverte dès 1917, vide de matière mais qui comprend une force répulsive appelée constante cosmologique, de valeur positive ; si maintenant on change le signe de la constante cosmologique, la force de répulsion devient attractive et le modèle se transforme en un espace-temps anti-de Sitter[2] . Ce dernier acquiert une géométrie spatiale hyperbolique (c’est-à-dire de courbure négative) et, bien qu’il soit infini, possède un « bord » bien défini. Pour représenter ce bord, on utilise la représentation de Poincaré du disque hyperbolique qui, à l’aide d’une transformation conforme conservant les angles mais pas les distances, ramène l’infini à distance finie. L’artiste néerlandais Mauritz Cornelius Escher a créé une célèbre série d’estampes intitulées Circle Limits dans lesquelles il utilise la représentation de Poincaré, voir par exemple [3].

Poincaré representation of the hyperbolic disc.
Représentation de Poincaré du disque  hyperbolique.

Circular Limit III, zn engraving by M.C.E. Escher, using the Poincaré representation of hyperbolic space.
Circle Limit III, une gravure de M.C.E. Escher utilisant la représentation de Poincaré de l’espace hyperbolique.
L'esapce anti-de Sitter en dimension 3 se présente comme un empilement de disques hyperboliques, chacun représentant l'état d'un univers 2D à un instant donné. L'espace-temps 3D qui en résulte resemble à un cylindre solide.
L’esapce anti-de Sitter en dimension 3 se présente comme un empilement de disques hyperboliques, chacun représentant l’état d’un univers 2D à un instant donné. L’espace-temps 3D qui en résulte resemble à un cylindre solide.

Pour l’espace-temps anti-de Sitter en dimension 5, noté AdS5, le bord est de dimension 4 et, localement autour de chaque point, ressemble à l’espace de Poincaré-Minkowski, qui est précisément le modèle d’espace-temps plat utilisé en physique non-gravitationnelle. Cela signifie qu’un trou noir dans l’espace-temps anti-de Sitter 5D est strictement équivalent à un champ de particules et de rayonnement existant dans l’espace-temps plat 4D de la frontière. Or, cette dernière description fait appel à des théories de champs quantiques bien connues et maîtrisées, analogues aux champs de Yang-Mills utilisés par exemple en chromodynamique quantique (qui est la théorie de l’interaction forte). Notons cependant qu’aux cinq dimensions spatiales de l’espace-temps anti-de Sitter il faut rajouter cinq dimensions spatiales compactifiées en forme de sphère S5, afin de traiter le problème dans le cadre de la théorie des cordes standard à dix dimensions.

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L’univers holographique (3) : De l’entropie à l’hypothèse holographique

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Suite du billet précédent L’univers holographique (2) : la gravité quantique façon théorie des cordes

Dans le cadre de la théorie des cordes, il s’agissait dans un premier temps de retrouver les lois de la thermodynamique classique des trous noirs, c’est-à-dire savoir calculer, en termes de mécanique statistique quantique, leur entropie et leur température en fonction de leur aire et de leur gravité de surface. La tâche n’est pas aisée. Comme en thermodynamique, l’entropie mesure le nombre total d’états microscopiques internes correspondant à un état externe donné du trou noir, défini par ses trois paramètres (M, J, Q). Encore faut-il comptabiliser les « vrais » états microscopiques, c’est-à-dire les degrés de liberté ultimes sur lesquels il faut calculer l’entropie. Pour évaluer le contenu ultime en informations d’un élément de matière, c’est-à-dire son entropie thermodynamique, il faut en toute rigueur connaître ses constituants fondamentaux au niveau le plus profond de structuration. Dans le modèle standard de la physique des particules, les quarks et les leptons semblent suffisants pour coder toute l’information. Mais dans la théorie des cordes et sa théorie-mère (M-theory), les quarks et les leptons sont des états excités de supercordes, qui deviennent alors les constituants les plus élémentaires du monde physique.

Gerard 't Hooft, né en 1946 aux Pays-Bas, est professeur à l'Institut de physique théorique de l'université d'Utrecht depuis 1977.
Gerard ‘t Hooft, né en 1946 aux Pays-Bas, est professeur à l’Institut de physique théorique de l’université d’Utrecht depuis 1977.

En 1993, Gerard t’Hooft (futur lauréat du prix de Nobel de physique 1999 pour ses travaux sur l’interaction électrofaible)  fut le premier à revisiter le travail de Hawking sur la thermodynamique des trous noirs dans le cadre de la théorie des cordes. Il calcula que le nombre total de degrés de liberté dans le volume d’espace-temps intérieur au trou noir était proportionnel à la superficie de son horizon[1]. La surface bidimensionnelle du trou noir peut être divisée en unités quantiques fondamentales appelées aires de Planck (10–66 cm2). Du point de vue de l’information, chaque bit sous forme de 0 ou de 1 correspond à quatre aires de Planck, ce qui permet de retrouver la formule de Bekenstein-Hawking S = A/4 pour l’entropie. Tout se passe comme si l’information perdue pour un observateur extérieur – l’entropie du trou noir – portée initialement par la structure 3D des objets ayant traversé l’horizon des événements, était codée sur sa surface 2D à la façon d’un hologramme, et t’Hooft en conclut que l’information avalée par un trou noir devait être intégralement restituée lors du processus d’évaporation quantique.

L’entropie d’un trou noir est proportionnelle à la surface de son horizon. Un trou noir dont l’horizon est constitué de A aires de Planck a une entropie de A/4 unités. Une aire de Planck (10–66 cm2) est l’unité quantique fondamentale de surface. Du point de vue de l’information, tout se passe comme si l’entropie était inscrite sur l’horizon du trou noir et que chaque bit d’information, sous forme de 0 ou de 1, correspondait à quatre aires de Planck.
L’entropie d’un trou noir est proportionnelle à la surface de son horizon. Un trou noir dont l’horizon est constitué de A aires de Planck a une entropie de A/4 unités. Une aire de Planck  est l’unité quantique fondamentale de surface. Du point de vue de l’information, tout se passe comme si l’entropie était inscrite sur l’horizon du trou noir et que chaque bit d’information, sous forme de 0 ou de 1, correspondait à quatre aires de Planck.

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Le Météore du 13 Août

Un commentaire

« A la seconde où tu m’apparus, mon cœur eut tout le ciel pour l’éclairer. Il fut midi à mon poème. Je sus que l’angoisse dormait.»
René Char : Le Météore du 13 Août (Fureur et Mystère,  1948).

Des dizaines d’excellents billets de blog ici et là sont consacrés à l’actualité des Perséides, cette pluie d’étoiles filantes qui illumine chaque année le ciel de la mi-août. Pour ne pas faire redondance, je me contenterai ici de quelques notes astronomico-poétiques.

Comme chacun sait (ou devrait savoir), ces belles mais fugitives étincelles nomades sont des grains cométaires microscopiques qui, en pénétrant dans l’atmosphère, s’échauffent par frottement. Leur température monte à trois mille degrés, et elles se consument dans la haute atmosphère, à quatre-vingts kilomètres d’altitude environ, créant ces traînées lumineuses qui ne durent souvent qu’une fraction de seconde. En fait, ce n’est pas la combustion du grain porté à blanc que l’on voit à si grande distance, mais la traînée d’ionisation qu’il laisse dans l’atmosphère. Les étoiles filantes sont la version miniaturisée et anodine des météores, le « bonzaï » du bolide.

Les étoiles filantes, si elles ne font pas d’argent ni ne répondent aux vœux, font parfois de beaux  poèmes:

A la pointe où se balance un mouchoir blanc
Au fond noir qui finit le monde
Devant nos yeux un petit espace
Tout ce qu’on ne voit pas
Et qui passe
Le soleil donne un peu de feu

Une étoile filante brille
Et tout tombe
Le ciel se ride
Les bras s’ouvrent
Et rien ne vient
Un cœur bat encore dans le vide
Un soupir douloureux s’achève
Dans les plis du rideau le jour se lève

Pierre Reverdy, Etoile filante (dans Plupart du temps, 1915-1922)

Leur taille ne dépasse pas quelques millimètres. Ce sont des silicates, analogues à des grains de sable. La luminosité des grains est fonction de leur masse. À la vitesse typique de soixante-dix kilomètres par seconde, un grain de seulement trois millimètres présente une luminosité égale à celle d’une étoile de première grandeur comme Sirius, mais pour un grain caractéristique d’un tiers de millimètre, l’intensité est tout juste visible à l’œil nu.

meteore_bolideLorsque, par une nuit quelconque, vous observez une étoile filante, il s’agit d’un météore sporadique. Par ciel dégagé, on peut en voir quelques-uns par heure, en principe davantage après minuit qu’avant, et davantage en automne qu’au printemps – du moins pour l’hémisphère nord.

Si de nombreux météores apparaissent la même nuit et semblent provenir du même endroit du ciel, il s’agit d’une pluie d’étoiles filantes. On voit alors dix, voire cinquante météores et plus par heure, dans un ciel sombre sans Lune et loin des lumières des villes. Continuer la lecture →

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L’univers holographique (2) : La gravité quantique façon théorie des cordes

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Suite du billet précédent L’univers holographique (1) : le paradoxe de l’information

Le paradoxe de l’information lié aux trous noirs reflète notre incapacité actuelle à élaborer une théorie cohérente de la gravité quantique. L’approximation semi-classique de Hawking cesse d’être valide quand le trou noir devient suffisamment petit pour que le rayon de courbure à l’horizon des événements atteigne la longueur de Planck, 10-33 cm, autrement dit lorsque non seulement la matière et l’énergie, mais aussi le champ gravitationnel doivent être quantifiés. La description finale de l’évaporation et la restitution partielle ou complète de l’information exigent donc un traitement complet en gravité quantique, branche fondamentale de la physique qui cherche à décrire la gravitation en utilisant les principes de la mécanique quantique.

Richard Feynman (1918-1988), prix Nobel de physique 1965, auteur des diagrammes du même nom.
Richard Feynman (1918-1988), prix Nobel de physique 1965, auteur des diagrammes du même nom.

L’application de la mécanique quantique aux objets physiques tels que le champ électromagnétique, qui s’étendent dans l’espace et le temps, a connu un succès éclatant avec la théorie quantique des champs[1]. Celle-ci forme la base de la compréhension du modèle standard de la physique des particules élémentaires, rendant compte des interactions électromagnétiques, nucléaire forte et nucléaire faible. Elle permet de calculer les probabilités d’événements en utilisant les techniques de la théorie des perturbations. Les diagrammes de Feynman décrivent les chemins de particules ponctuelles et leurs interactions. Chaque diagramme représente une contribution à un processus d’interaction. Pour leurs calculs, les physiciens additionnent en premier lieu les contributions les plus fortes, puis les plus petites, et ainsi de suite, jusqu’à atteindre la précision désirée.

Diagramme de Feynman. Lorsque deux particules (ici deux électrons venant du bas) interagissent, elles peuvent le faire « simplement », en échangeant un seul photon (schéma du haut). Mais ce photon peut lui-même se matérialiser puis de dématérialiser en chemin. Sur le schéma du bas, par exemple, il crée une paire électron-positron qui recrée ensuite le photon. Si l’on tient compte de cette aventure, la description de l’interaction des deux électrons de départ n’est plus la même. Cela n’est en fait que la « première correction ». En effet, il peut arriver au photon des histoires beaucoup plus compliquées qui représentent des corrections d’ordre 2,3,4… La physique quantique exige de tenir compte de l’infinité de ces corrections pour le moindre calcul. Cette difficulté considérable a conduit à incorporer à la physique quantique l’idée de renormalisation.
Diagramme de Feynman. Lorsque deux particules (ici deux électrons venant du bas) interagissent, elles peuvent le faire « simplement », en échangeant un seul photon (schéma du haut). Mais ce photon peut lui-même se matérialiser puis de dématérialiser en chemin. Sur le schéma du bas, par exemple, il crée une paire électron-positron qui recrée ensuite le photon. Si l’on tient compte de cette aventure, la description de l’interaction des deux électrons de départ n’est plus la même. Cela n’est en fait que la « première correction ». En effet, il peut arriver au photon des histoires beaucoup plus compliquées qui représentent des corrections d’ordre 2,3,4… La physique quantique exige de tenir compte de l’infinité de ces corrections pour le moindre calcul. Cette difficulté considérable a conduit à incorporer à la physique quantique l’idée de renormalisation.

 

Mais ce procédé ne marche que si les contributions deviennent réellement négligeables à mesure qu’un plus grand nombre d’interactions est pris en compte. Lorsqu’il en va ainsi, la théorie est dite “faiblement couplée” et les calculs convergent vers des valeurs physiques finies. S’il en va différemment, la théorie est dite “fortement couplée” et les méthodes standard de la physique des particules échouent. C’est notamment ce qui arrive avec le graviton, supposé être la particule médiatrice du champ gravitationnel. Le graviton, créant de la masse-énergie, interagit avec lui-même, ce qui crée de nouveaux gravitons, qui à leur tour interagissent, et ainsi de suite, jusqu’à la divergence. L’échec de la technique des perturbations pour quantifier la gravité a donc conduit les physiciens à explorer d’autres voies. Continuer la lecture →

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L’univers holographique (1) : le paradoxe de l’information

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Ce billet est le premier d’une série de 6 reprenant un article initialement publié en anglais dans la revue Inference : The International Review of Science, auquel j’ai rajouté des illustrations à caractère pédagogique.

Introduction

Lors d’un exposé donné le 25 août 2015 au KTH Royal Institute of Technology à Stockholm qui a fait l’objet d’un grand tapage médiatique, Stephen Hawking a annoncé avoir résolu un problème de la physique appelé paradoxe de l’information [1]. Ce dernier illustre un conflit potentiel entre la mécanique quantique et les modèles de trou noir décrits par la relativité générale ; à ce titre, il joue un rôle central en physique fondamentale et divise la communauté des théoriciens depuis quatre décennies. Selon Hawking, toute l’information sur la matière et l’énergie contenue dans le volume 3D du trou noir résiderait en réalité sur sa surface 2D, l’horizon des événements, codée sous forme d’hologramme.

hologram1
Un hologramme est une photographie d’un type particulier qui engendre une image tridimensionnelle quand on l’éclaire de façon appropriée ; toute l’information décrivant une scène en trois dimensions est encodée dans le motif de zones claires et sombres inscrit sur un film à deux dimensions.

Cette information pourrait ensuite être entièrement récupérée (bien que sous forme chaotique) grâce au rayonnement libéré lors de son évaporation quantique – un processus initialement prédit par le même Hawking quarante ans auparavant.

L’idée n’est pas nouvelle : elle fait appel à un modèle d’univers holographique précédemment étudié par des centaines de physiciens, et objet d’un tel engouement qu’il a conduit certains d’entre eux à imaginer des scénarios parfaitement surréalistes. Par exemple, S. Mathur a proposé qu’au lieu d’être détruit par des forces de marée gravitationnelles ou par un pare-feu quantique, un astronaute tombant dans un trou noir serait simplement converti en hologramme, sans se rendre compte de rien [2].

A l’annonce de Hawking la communauté scientifique a donc dans son ensemble réagi avec beaucoup de prudence et de scepticisme, pour ne pas dire d’embarras devant l’annonce prématurée d’une idée non élaborée sur le plan technique : comment l’information s’inscrit-elle dans l’horizon des événements, comment est-elle restituée au monde extérieur, aucun détail n’a encore été donné.[3]

Pour y voir plus clair, un retour en arrière sur la thermodynamique des trous noirs s’impose.

Thermodynamique des trous noirs et paradoxe de l’information

Au cours des années 1970 – âge d’or de la théorie des trous noirs en relativité générale classique -, il a été démontré d’une part que l’état final d’un trou noir à l’équilibre ne dépendait que de trois paramètres : sa masse M, son moment angulaire J et sa charge électrique Q, ce qui paradoxalement faisait de lui l’objet le plus simple de toute la physique ; d’autre part, que la dynamique des trous noirs en interaction se résumait en quatre lois présentant une analogie extrêmement frappante avec celles de la thermodynamique usuelle[4]. En particulier, la seconde loi stipule que l’aire d’un trou noir ne peut jamais décroître au cours du temps. Ce résultat fondamental suggère une connexion étroite entre l’aire d’un trou noir et l’entropie d’un système thermodynamique. Continuer la lecture →

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Evénements ondes gravitationnelles : un résumé en images

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Les événements GW150914 et GW151226

Résumé en 5 images extraites d’une de mes présentations powerpoint sur les trous noirs
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Le mystère des ondes gravitationnelles, posé il y a un siècle par Albert Einstein dans un article paru en mars 1916, met en jeu les infimes variations de courbure de l’espace-temps engendrées par le mouvement d’objets relativistes. En haut à gauche : vue d’artiste figurant les ondes gravitationnelles engendrées par un système binaires d’étoiles compactes (étoiles à neutrons et/ou trous noirs). En haut à droite : vue d’artiste des ondes gravitationnelles engendrées par l’effondrement (non sphérique) d’une étoile en trou noir. En bas au centre : rappel du fait que l’existence des ondes gravitationnelles a d’abord été prouvée indirectement en 1974 grâce à l’analyse d’un pulsar binaire (couple d’étoiles à neutrons), dont la période orbitale décroît à la suite de la perte d’énergie due aux ondes gravitationnelles.

 

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Les premières détections directes des ondes gravitationnelles ont été effectuées le 14 septembre 2015 (événement GW150914) et le 26 décembre 2015 (événement GW151226) par les deux détecteurs du programme LIGO situés aux Etats-Unis. Séparés par 3000 km, les détecteurs reçoivent le même signal à un centième de seconde d’intervalle, puisque les ondes gravitationnelles se déplacent à la vitesse de la lumière dans le vide, 300 000 km/s.

 

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La comparaison entre le calcul théorique (en haut) et les données reçues (en bas) montre sans ambiguïté que le signal gravitationnel provient de la fusion de deux trous noirs en un trou noir unique, en trois phases extrêmement brèves (le tout durant moins d’une seconde dans la bande de fréquence dans laquelle les détecteurs sont sensibles): phase d’approche des deux trous noirs, fusion (signal maximum), vibration et stabilisation du trou noir final.

 

La modélisation des événements GW150914 et GW152612 permet notamment de déduire les masses des trous noirs mis en jeu. Il s’agit en l’occurrence de trous noirs “stellaires”, bien que dans l’événement du 14 septembre 2015 les masses sont sensiblement plus élevées que la “normale”, ce qui soulève d’intéressantes questions sur la formation de tels couples. La masse du trou noir final est, dans les deux cas, inférieure à la somme des masses des trous noirs parents : en vertu de la formule E=mc2, la différence a précisément été évacuée sous forme d’énergie gravitationnelle propagée par les ondes. Dans les deux cas aussi, ces événements se sont produits il y a près de 1,5 milliards d’années dans le passé. Notons qu’un troisième événement similaire, semblant lui aussi émaner d’une fusion de trous noirs situés cette fois à plus de 3 milliards d’années-lumière, a été observé le 12 octobre 2015, mais sa signification statistique n’est pas suffisante pour le qualifier. Cela implique d’une part que les couples de trous noirs sont beaucoup plus nombreux que ce que prédisaient les modèles conventionnels, d’autre part que ces détections pourraient être faites à un rythme de quelques dizaines par an, bien plus grand que prévu.

 

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Et pour approfondir le sujet des ondes gravitationnelles, voir ma suite de 4 billets de février dernier consacrés au sujet :

https://blogs.futura-sciences.com/luminet/2016/02/10/la-lumiere-gravitationnelle-1/

https://blogs.futura-sciences.com/luminet/2016/02/10/la-lumiere-gravitationnelle-22/

https://blogs.futura-sciences.com/luminet/2016/02/13/la-lumiere-gravitationnelle-34-levenement-gw150914/

https://blogs.futura-sciences.com/luminet/2016/02/20/la-lumiere-gravitationnelle-44-le-futur-est-dans-lespace/