Le Chaos et l’Harmonie, la fabrication du Réel.

Extraits

Dans le monde newtonien, la matière n’était qu’une substance inerte obéissant servilement et aveuglément à des forces extérieures, et totalement dépourvue de créativité. L’Univers était une mécanique bien huilée, une horloge réglée avec précision et qui, une fois remontée, fonctionnait d’elle-même selon des lois strictement déterministes. La liberté et la fantaisie en étaient bannies. Le comportement du moindre atome était déterminé à l’avance, incitant Laplace à déclarer que si l’état présent de l’Univers pouvait être connu, son futur tout entier serait déterminé. Le temps n’avait plus de place, le futur étant déjà contenu dans le présent et le passé. Le Grand Livre était somme toute déjà écrit, et, pour reprendre les mots du chimiste belge Ilya Prigogine, «Dieu était réduit au simple rôle d’un archiviste tournant les pages du livre cosmique». D’autre part, l’effet était toujours en proportion de la cause, et le tout était ni plus ni moins égal à la somme de ses parties. Si bien que la Nature pouvait être étudiée en la réduisant à ses plus simples composantes. Cette vue mécanistique, matérialiste et réductionniste du monde déborda en d’autres domaines. En biologie, les êtres vivants devinrent des «machines génétiques», collections de particules soumises à des forces aveugles. Les phénomènes biologiques et mentaux ne furent plus que des processus physiques pouvant s’expliquer en termes de matière ou d’énergie.


L’approche réductionniste et matérialiste a certainement concouru de façon importante à notre compréhension du monde, en nous permettant d’isoler et d’étudier des bribes de réalité sans besoin de comprendre le tout. Mais il est aussi sûr qu’elle a contribué à rompre l’ancienne alliance de l’homme avec l’Univers, à l’aliéner du monde qu’il habite. Démoralisé, dépersonnalisé, dévalorisé et déboussolé, l’homme se sent perdu dans une vaste machinerie implacable et inexorable sur laquelle il n’exerce aucun contrôle. Si cette science matérialiste s’est graduellement éloignée et dissociée du reste de la culture, c’est que la vision morne et désespérante d’un homme-automate dépourvu de volonté et de créativité n’était pas supportable.


J’ai tenté de montrer dans cet ouvrage que le matérialisme est mort. Le XXe siècle a vu naître la mécanique quantique, qui a totalement changé notre conception de la matière. La machine déterministe de Newton a été remplacée au niveau subatomique par un monde fantasmagorique d’ondes et de particules gouverné non plus par les lois rigides de la causalité, mais par celles, libératrices, du hasard. La matière en vient même à perdre sa substance: l’espace vide regorge de particules virtuelles à l’existence fantomatique et éphémère. La théorie des supercordes, qui cherche à unifier les forces fondamentales de la Nature, stipule que les particules de matière ne sont que des vibrations de «bouts de ficelle» infinitésimalement petits dans un Univers à dix dimensions. Le déterminisme de Newton et de Laplace est balayé. Le principe d’incertitude de Heisenberg nous dit que nous ne pouvons jamais connaître à l’avance le comportement d’un électron. Cette imprévisibilité n’est pas une conséquence de notre ignorance, ni de notre incapacité à construire des instruments de mesure plus performants, mais est intrinsèque à la Nature au niveau atomique.


Pourtant d’une certaine façon, des vestiges de déterminisme subsistaient. Si un événement quantique individuel était indéterminé, les probabilités relatives d’un ensemble de possibilités étaient parfaitement déterminées et rendues prévisibles par les lois de la statistique. Ainsi, si l’on ne peut calculer la trajectoire exacte d’un électron, on peut tout à fait calculer la probabilité qu’il soit à tel ou tel endroit. C’est d’ailleurs ce vestige de déterminisme qui permet à votre ordinateur portable ou à votre chaîne hi#fi de fonctionner. Si le comportement d’un électron individuel dans les circuits électroniques de ces engins n’est pas prévisible, l’ensemble des électrons n’a pas un comportement aléatoire, mais bel et bien déterminé par les lois de la probabilité. La mécanique quantique apporte un souffle libérateur à chaque particule individuelle, mais contraint encore les ensembles de particules de manière statistique.


Ce vestige de déterminisme s’est trouvé balayé par l’avènement du chaos. Le chaos est présent quand un changement minime de causes initiales dans un système provoque un changement démesuré des effets. L’effet n’est plus en proportion de la cause. Un battement d’ailes de papillon à la Réunion risque de déclencher un orage sur New York. Cette sensibilité extrême aux conditions initiales fait que le comportement d’un système chaotique n’est plus prévisible, dans la mesure où ces conditions ne pourront jamais être connues avec une précision à toute épreuve. Comme pour l’indéterminisme quantique, cette impossibilité ne résulte pas d’une limitation humaine, mais est intrinsèque à la Nature. Le chaos libère la matière du carcan du déterminisme. Il lui permet de se montrer inventive et créative pour fabriquer de la complexité. La richesse et la beauté du monde résultent d’un subtil mélange de phénomènes chaotiques et d’autres qui ne le sont pas. Bien que nous ne puissions pas prévoir le temps qu’il fera dans un mois, nous pouvons nous attendre, jusque dans un futur lointain, à ce que le Soleil se lève le lendemain et que le printemps revienne chaque année refleurir les arbres et réveiller la Nature. Le chaos vient donc prêter main forte à l’indéterminisme quantique pour libérer la matière. L’un agit au niveau macroscopique, tandis que l’autre exerce son action dans le monde subatomique.

Table des matières

Avant-propos 11
i
Vérité et beauté
Un homme et une femme, 17 – La danse dans la rétine, 17 – Les neurones entrent en action, 18 – La Nature est belle, 20 – Les choses de la vie et la relativité du Beau, 22 – La Beauté en science, 25 – La conformité avec le tout, 27.

ii
Contingence et nécessité:
histoire du système solaire
Le Soleil naît de la mort d’une étoile, 31 – Les poussières des géantes rouges, 33 – Le jeu de l’agglomération, 34 – Rencontres à risques, 36 – Le Soleil nettoie, 37 – Le nécessaire et le fortuit, 41 – Les solides de Kepler, 44 – La ronde des saisons, 46 – La Terre ne se tient pas droite, 47 – Des collisions… renversantes, 48 – Le Soleil se lève à l’ouest sur Vénus, 50 – Une planète couchée sur le côté, 52 – L’étoile polaire n’est plus ce qu’elle était, 54 – Enquête sur la Lune, 55 – La Terre accouche de la Lune, 57 – Le Grand Impacteur, 61 – Les glaces envahissent la Terre, 63 – Et si on enlevait la Lune?, 65 – La Lune soulève les océans, 67 – La Lune a un côté secret, 70 – Le nautile et la Lune, 72 – Les jours s’allongent, 74 – L’astéroïde meurtrier et les dinosaures, 75 – Un métal extraterrestre, 78 – Le ciel va-t-il nous tomber sur la tête?, 80 – Les pierres célestes, 82 – Les cicatrices de la Terre, 84 – Subirons-nous le sort des dinosaures?, 89 – Protéger la Terre, 93 – Les blessures de Jupiter, 95 – Une veille cosmique, 97 – Les comètes apportent la vie, 98 – Le déterminé et le fortuit, 101.

iii
Du chaos dans la machinerie
cosmique, de l’incertitude#dans le déterminisme
La fin des certitudes, 105 – Le déterminisme et la balle de tennis, 107 – Petite cause et grand effet, 108 – Le prophète du chaos, 110 – L’effet papillon, 111 – Ciel rationnel et homme irrationnel, 115 – Les menhirs de Stonehenge, 116 – Le puzzle de la Lune, 117 – Cercle sur cercle, 118 – La Lune ne se plie pas aux calculs, 120 – Le problème des trois corps, 121 – Les orbites planétaires sont-elles éternelles?, 125 – Des séries qui n’en finissent pas, 126 – La réalité dans sa totalité, 127 – Un espace abstrait et multidimensionnel, 128 – Du chaos dans un long fleuve tranquille, 130 – De l’incertitude qui rôde dans l’ombre, 131 – Pourquoi le chaos échappa-t-il à Newton?, 134 – La numérologie et les astéroïdes, 136 – Les astéroïdes et les orbites manquantes, 139 – Des visites du côté de la Terre, 141 – Le ver va-t-il ronger toute la pomme?, 143 – Un jeune homme pressé, 144 – L’hypothèse de Dieu n’est plus nécessaire, 146 – Un planétaire digital, 148 – Pluton imprévisible, 153 – Le futur indéfini du système solaire, 156 – Dieu joue aux dés avec les planètes, 159 – Le chaos non catastrophique, 162 – Des orbites stellaires chaotiques, 164 – Des attracteurs étranges, 166 – La côte bretonne est un objet fractal, 168 – La géométrie de l’irrégulier, 170 – Les objets fractals ou la régularité dans l’irrégularité, 172 – La Nature aime les structures fractales, 174 – De la turbulence sur Jupiter, 176 – Le chaos et les choses de la vie, 179 – Le flux et le reflux de la vie, 180 – Le chaos et les épidémies, 184 – Les rythmes du cœur, 185 – Le chaos du cœur, 187 – Que le chaos soit, et la santé sera!, 189 – La Bourse et le chaos, 189.
iv
L’austère beauté de la symétrie
La beauté du cercle, 195 – La symétrie droite-gauche, 197 – La symétrie des cristaux de neige, 198 – La symétrie des lois physiques et les extraterrestres, 200 – Le monde dans un miroir, 202 – Des noyaux mères et filles, 204 – La Nature viole la symétrie droite-gauche, 207 – Le neutrino et les amants, 210 – L’antimatière nous rend visite depuis l’espace, 214 – La Nature aime la matière plus que l’antimatière, 215 – Les sautes d’humeur de la Nature, 218 – Une île appelée Magnésie, 220 – La grenouille de Galvani, 222 – Des lignes de force, 223 – Le mariage de l’électricité et du magnétisme, 226 – Les nouvelles lumières, 228 – L’éther impondérable, 231 – La relativité du couple temps-espace, 233 – Le temps allongé, 236 – Plus vite que la lumière?, 240 – La causalité chamboulée, 242 – Communiquer avec le passé, 243 – Le secret de l’éternelle jeunesse?, 246 – La symétrie brisée, 249 – Le feu des étoiles, 251 – La gravité et l’accélération, 254 – La plume tombe aussi vite que le boulet de canon, 256 – La matière courbe l’espace, 258 – La gravité ralentit le temps, 260 – La spatialisation du temps, 263 – Einstein et les «trous noirs», 266 – Et si vous deveniez trou noir?, 269 – Des phares célestes, 272 – L’Atlas des trous noirs, 274 – Un disque de gaz couleur arc-en-ciel, 277 – La singularité ultime, 279 – Le temps figé par le trou noir, 281 – Des forces de marée qui étirent le corps, 284 – Des lentilles gravitationnelles, 285 – Le tunnel du trou noir, 289 – Le trou noir et la fin du temps, 290 – Vers la singularité, 293 – Des univers parallèles et des trous de ver de terre, 295 – Les trous noirs se trahissent par leur gloutonnerie, 299 – Un trou noir au cœur de la Voie lactée, 302 – La fusion des trous noirs et les vibrations de l’espace-temps, 304 – La mélodie de l’espace, 306 – Un cylindre qui vibre et des cristaux qui chantent, 310 – Un interféromètre à laser, 312 – Le chemin vers l’Unité, 314.

v
L’insoutenable étrangeté des atomes
Un monde de couleurs, 317 – De l’ordre dans les éléments chimiques ou la table périodique, 319 – Un noyau dur comme fer, 321 – Des grains de lumière, 323 – Les vitraux de l’atome, 324 – Pourquoi la rose est-elle rose?, 327 – Des ondes d’électrons, 330 – Un monde indéterminé, 333 – Des particules avec le don d’ubiquité, 337 – Tous les chemins mènent à Rome, 339 – Des particules passe-murailles, 340 – L’observateur crée la réalité, 342 – Une réalité multiple, 345 – Effacer le passé, 347 – Une réalité globale, 348 – Le noyau atomique a un autre constituant, 351 – Les neutrons maintiennent la stabilité de la matière, 353 – Le jumeau à moustaches du proton, 356 – Une pléthore de particules, 358 – La saveur et la couleur des quarks, 359 – Les familles des leptons, 363 – Les quarks ne seront jamais libres, 364 – Des photons messagers fantomatiques, 366 – La force forte et les gluons, 369 – La force faible et les plaques photographiques, 371 – La parenté improbable mais réelle des forces électromagnétiques et faible, 373 – La grande unification, 376 – L’infiniment petit accouche de l’infiniment grand, 379 – La mort du proton, 383 – La gravité fait bande à part, 386 – Géométriser la force électromagnétique, 387 – Des dimensions cachées de l’espace, 389 – Un univers à onze dimensions, 391 – La symétrie devient super, 393 – Une prolifération de superparticules, 396 – La symphonie des supercordes, 399 – Des boucles de supercordes, 402 – La marche vers l’Unité, 404.

vi
L’univers créatif
Éloge de l’imperfection, 409 – Les aimants et les supraconducteurs refroidis perdent leur symétrie, 412 – L’Univers rompt la symétrie, 414 – L’Univers a un penchant pour la matière, 416 – Les rochers calcaires de la baie d’Along, 419 – Le réductionnisme a un passé glorieux, 422 – Les hélices enchevêtrées de l’ADN, 425 – La cause finale d’Aristote et les forces aveugles de Démocrite, 428 – La diversité de la vie, 430 – Le métronome chimique, 432 – Le mystère des formes, 436 – L’élan vital, 438 – Comment le local peut-il influencer le global?, 440 – La mécanique quantique et la vie, 443 – L’étincelle de la vie, 446 – La soupe terrestre primitive, 448 – Des principes émergents, 450 – La machine et le programme, 452 – L’ascension de la vie, 454 – Le hasard mène presque toujours au désordre, 457 – La sélection naturelle, 459 – Les bactéries sont-elles mieux adaptées que les girafes?, 461 – La biosphère s’auto-organise, 463 – La flèche du temps et la mort de l’Univers, 467 – Les étoiles créent du désordre, 469.

vii
La déraisonnable efficacité
de la pensée
Les êtres vivants tendent vers un but, 471 – Le comportement instinctif, 473 – Le ciel étoilé dans l’ADN des oiseaux, 475 – «Je pense, donc je suis», 477 – La double nature de l’homme, 479 – Le monde n’est-il que mental et l’homme n’est-il que matière?, 480 – Les animaux pensent-ils?, 482 – L’esprit émerge de la complexité du cerveau, 483 – Les machines peuvent-elles nous dépasser en intelligence?, 484 – L’abaque et l’ordinateur, 487 – La conscience collective, 489 – Pourquoi l’Univers est-il compréhensible?, 491 – La permanence et l’impermanence, 492 – L’ombre et la caverne, 494 – La tragique méprise, 495 – Une âme immortelle, 496 – Le temps et l’éternité, 498 – Des lois dans la Nature, 500 – Pourquoi la science est-elle née en Occident?, 504 – Pourquoi la méthode réductionniste marche-t-elle?, 506 – Un Univers intelligible, 508 – La séparabilité du monde, 509 – L’esprit des lois, 512 – Les lois physiques sont-elles découvertes ou inventées?, 513 – Le paysage des mathématiques, 516 – L’intuition mathématique, 518 – L’universalité des mathématiques, 520 – Ramanujan, mathématicien à l’intuition prodigieuse, 521 – La Nature est subtile, mais elle n’est pas malicieuse, 524 – La connaissance intellectuelle n’est pas nécessaire à la survie, 527 – La conscience de l’Univers, 528 – L’efficacité déraisonnable des mathématiques, 531 – L’arithmétique et la Nature, 535 – Le défi de Hilbert, 536 – Gödel et les limites de la pensée, 538 – Des paradoxes qui sapent la logique, 539 – Une faute logique dans la Constitution des États-Unis, 542 – La libération de la matière, 543 – Le temps retrouvé, 546 – Un monde contingent et un Dieu nécessaire, 548 – Un Univers conscient de lui-même, 550 – L’Univers ne nous est plus étranger, 552.

annexes
Glossaire 557
Bibliographie 572
Crédits photographiques 574
Remerciements 575
Index 576

4ème de couverture

Cette fin de siècle a vu un véritable bouleversement dans notre façon de concevoir le monde. Après avoir dominé la pensée occidentale pendant trois cents ans, la vision newtonienne d'un univers fragmenté, mécaniste et déterministe a fait place à celle d'un monde exubérant de créativité. Le Réel n'est plus déterminé seulement par des lois naturelles appliquées à des conditions initiales particulières, mais aussi moulé et façonné par une suite d'événements contingents et historiques qui peuvent bouleverser la réalité à son niveau le plus profond. Celui du bolide rocailleux venu percuter la Terre il y a quelque 65 millions d'années et responsable de la mort des dinosaures en est un exemple. Les lois physiques ont perdu leur rigidité. Avec l'avènement de la mécanique quantique, le hasard est entré en force dans le monde subatomique. Le monde macroscopique n'a pas été épargné. Avec la théorie du chaos, le hasard et le non-déterminisme ont envahi non seulement la vie de tous les jours, mais aussi le domaine des planètes, des étoiles et des galaxies. Débarrassée de son carcan la Nature peut enfin innover et créer.


J'ai voulu retracer ici, dans un langage simple et au travers d'exemples tirés de l'astrophysique, de la physique, de la biologie et des mathématiques, le développement des idées qui ont mené à cette nouvelle vision du monde. L'ouvrage s'adresse à l'« honnête homme », non pourvu de bagage technique, mais curieux des extraordinaires avancées de la science au cours du XXe siècle, ainsi que de leurs implications philosophiques et théologiques : pourquoi Beauté et Vérité vont-ils souvent de pair ? Comment la Nature se sert-elle de subtils principes de symétrie pour imposer une profonde unité et harmonie au monde physique ? Pourquoi l'homme est-il doué d'une « déraisonnable efficacité » à comprendre l'univers ? Se peut-il que ce soit pour lui donner un sens ?

Trinh Xuan Thuan est originaire de Hanoï, Vietnam. Après avoir fréquenté le lycée français de Saigon, il fait ses études à Caltech et à Princeton, aux États-Unis. Professeur d'astronomie à l'université de Virginie, il est l'auteur de La Mélodie secrète, qui a rencontré la faveur d'un large public.

Editeurs

- Collection le temps des Sciences, Fayard (1998)
- Poche : Collection Folios Essais, Gallimard (2000)
- Edition Club France-Loisirs (1998)
- American edition: Chaos and Harmony, Oxford University Press (2000)
- American paperback edition: Chaos and Harmony, Templeton Press (2006)
- Selection of Library of Science Book Club (September 2000)
- Selection of Book of the Month Club (February 2001)
- Portugese edition: O CAOS e a Harmonia: A fabricacao do real, Terramar, Lisboa, Portugal (2000)
- Italian edition: Il Caos E l’Armonia: Bellezza e Asimmetrie del Mondo Fisico, Editioni Dedalo, Bari, Italy (2000)
- Greek edition: P. Travlos Publishers, Athens (2002)
- Vietnamese edition: Editions Science et Technique, Hanoi, Vietnam (2003)
– Russian edition