[Le musée des idées #1] Les cordes d’éther

En 1980, Jean-Marc Lévy-Leblond publiait dans la revue « European Journal of Physics » un article[1] intitulé « Éloge des théories fausses » dans lequel il promouvait l'enseignement (dans le sens d'examen critique) de théories qu'on considère aujourd'hui comme erronées, en proposant de les classer en quatre types :

  1. Les théories adhérentes, considérées comme fausses en principe mais qui constituent d'excellentes approximations d'autres théories considérées comme plus justes. Par exemple : la relativité galiléenne, par opposition à la relativité d'Einstein.
  2. Les théories différentes : elles sont cohérentes du point de vue formel et logique, mais finissent par être abandonnées par dédain ou par des arguments physiques (théoriques ou expérimentaux) subtils.
  3. Les théories aberrantes : elles peuvent réfutées d'un point de vue logique par un physicien expérimenté, parfois au prix de pas mal de réflexion, le vice de forme pouvant être bien caché. Ce sont ce que j'appelle les théories des gogos (ceux qui remettent en cause la relativité restreinte sans l'avoir comprise, notamment).
  4. Les théories sidérantes : des discours creux qui empruntent le langage, la forme, du discours scientifique pour finalement ne rien dire du tout (Lévy-Leblond cite la « théorie synergétique » de M. Vallée comme exemple).

L'auteur y insiste sur le rôle pédagogique de l'erreur dans l'apprentissage des sciences et je laisse le soin au lecteur qui a la chance d'accéder à la revue (pas facile facile, grmblmblbl) de savourer directement ce court article. Je vais, le temps de quelques billets estivaux, présenter des exemples de théories du deuxième type (je me réserve les deux types suivants pour plus tard, là en sortant d'une année chargée en enseignement, si je commence à aborder ce sujet je vais juste m'énerver tout seul et franchement, il fait trop chaud pour ça en ce moment). C'est toujours une surprise, pour un physicien, de découvrir de telles théories, de jouer à chercher ce qui cloche, de parfois ne rien trouver !

Ouvrons le bal avec les cordes d'éther[2],[3]. Cette histoire commence en 1858, lorsque Helmholtz montre que dans un fluide sans frottement, certains mouvements tourbillonnaires refermés sur eux-mêmes peuvent former des structures stables et permanentes en forme d'anneau. Des cordes fermées sur elles-mêmes, formées par le mouvement du fluide. Quelques années plus tard, en 1867, le physicien William Thomson, plus connu sous le nom de Lord Kelvin après son annoblissement, propose[4] que les atomes qui constituent la matière (hypothèse déjà envisagée à l'époque) sont constitués de tels anneaux microscopiques dans le fluide qui emplit l'Univers, l'éther alors omniprésent en physique (il avait été introduit pour comprendre la propagation de la lumière, puis pour expliquer l'électromagnétisme). Je les appellerai ici les vortex[5]. À cette époque, la spectroscopie avait montré que les éléments émettent et absorbent la lumière à des fréquences caractéristiques bien déterminées. Les vortex permettent d'expliquer cette observation : les raies d'absorption et d'émission des atomes correspondent aux fréquences auxquelles peuvent vibrer les cordes d'éther. Plusieurs grands physiciens (essentiellement britanniques) furent séduits par cette hypothèse et par le fait que le calcul de ces fréquences d'oscillation ne faisait appel qu'à des notions physiques connues (essentiellement de la mécanique des fluides). Cependant, en pratique, ces calculs étaient trop complexes pour être menés à leur terme et l'explication quantitative des spectres atomiques n'est resté qu'un doux rêve.

vortex_rings

Représentation des vortex, tirée de l'article de 1869 de Kelvin traitant de la dynamique de ces structures. « On Vortex Motion », Transactions of the Royal Society of Edinburgh », vol. XXV (1869), p. 217-260).

Parmi les grands physiciens qui ont manifesté de l'intérêt pour cette hypothèse, on peut citer John Henry Poynting, George Francis FitzGerald, James Clerk Maxwell, George Stoney, Oliver Lodge, Joseph Larmor et Joseph Thomson, futur découvreur de l'électron. Au passage, c'est cette théorie des vortex et la possibilité que certains d'entre eux soient enchevêtrés qui conduisit Peter Guthrie Tait à développer ce qu'on appelle aujourd'hui la théorie des nœuds.

Elle fut perçue, par ces physiciens, comme la promesse de ce qu'on appellerait aujourd'hui une théorie du tout, définissant la nature des atomes, expliquant leurs propriétés spectrales, chimiques (Joseph Thomson, en particulier, tenta d'expliquer la notion de valence avec les vortex), promettant aussi d'expliquer l'électromagnétisme et la gravitation. Son attrait empiéta même sur le champ spirituel, l'idée que tous les phénomènes observés puissent émerger de l'éther poussa certains scientifiques à imaginer que ce pût aussi être le cas de phénomènes spirituels, l'âme, pourquoi pas . De plus, le fait que les vortex soient des structures permanentes peut suggérer l'existence d'une main divine : s'ils ne peuvent pas se détruire, ni surtout se créer tout seul, il faut bien que Quelqu'Un (argh point délicat de grammaire : où vont les majuscules ?) s'en soit chargé. J. J. Thomson, Tait et Lodge, notamment, étaient partisans d'un mélange des genres, science et religion, qui serait fortement combattu par les physiciens actuels.

Cette théorie n'atteignit jamais le stade où elle conduisit à des prédictions quantitatives vérifiées par l'expérience. Au contraire, un argument solide contre cette théorie fut avancé en 1894 par Joseph Larmor : on peut montrer que lorsque la température s'élève, la taille des anneaux augmente, ce qui conduit notamment à une variation des fréquences propres de vibration de ces anneaux. Les spectres atomiques devraient donc être affectés par un changement de température, ce qui est contraire à ce qu'on observe. Une autre conséquence était que la vitesse des atomes d'un gaz devait diminuer lorsque la température augmente. Ce ne sont pourtant pas ces arguments qui conduisirent à l'abandon de la théorie. Les physiciens se sont simplement orientés vers d'autre pistes au début du XXe siècle (la physique quantique, en particulier) et les vortex sont devenus obsolètes dans que personne ne leur porte vraiment un coup de grâce accepté par tous.

Certains auront reconnu dans cette théorie des cordes d'éther plusieurs caractéristiques d'une autre théorie des cordes, très actuelle et toujours en vogue, celle-là : celle qu'on appelle tout simplement LA « théorie des cordes ». Les particules élémentaires y sont aussi décrites comme des excitations de cordes fermées, et les prédictions quantitatives y sont malheureusement tout aussi rares. Ces théories, la nouvelle et l'ancienne, sont toutefois très différentes, et ce serait un contresens historique et épistémologique d'affirmer que l'une est dérivée de l'autre, ou que Kelvin et ses collègues avaient pressenti la théorie des cordes.

Notes et références

[1] « Éloge des théories fausses », J -M Lévy-Leblond , Eur. J. Phys. 1 (1980) p. 248.

[2] Je m'appuie ici très fortement sur le chapitre intitulé « A Victorian theory of Everything » du livre « Higher Speculation - Grand theories and failed revolutions in physics and cosmology » de Helge Kragh (Oxford University Press, 2011).

[3] La référence précédente est une version condensée de « The Vortex Atom: A Victorian Theory of Everything », Helge Kragh, Centaurus 44 (2002) p. 32.

[4] L'article original est consultable ici librement. On pourra d'ailleurs jeter un œil à l'ensemble du document qui reprend l'intégralité de l'œuvre scientifique de Kelvin.

[5] Attention à ne pas les confondre avec les objets macroscopiques introduits par Descartes deux siècles plus tôt dans sa « théorie des tourbillons ».


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