Ep2 – Le réel s’impose à la science

Visage contre une vitre

Hier, je vous ai parlé, en toute fin d’article, que si une théorie était mise en défaut par l’observation ou l’expérience, alors on ouvrait une brèche dans les connaissances nécessitant une correction des théories voire leur remplacement.

Aujourd’hui, je vais l’illustrer avec un épisode de l’histoire des sciences.

Cet article fait partie d’une série

Je me suis lancé le défi de publier 31 articles en mars 2021 pour faire un tour d’horizon de la science. Celui-ci est le troisième publié (le premier est le sommaire du défi visible ici)

Quand la meilleure théorie fonctionne parfaitement

Retournons au XVIIème siècle.

Couverture des Principes Mathematica

Newton publie ses Principia Mathematica en 1687.

C’est une révolution en soi : quelques formules unifient alors la physique sur terre et les mouvements des astres : Les lois de la mécanique (trajet d’un boulet de canon…) permettent de retrouver les lois de Kepler qui décrivent les orbites des planètes.

Et cela fonctionne si bien que, les instruments d’optique évoluant (encore grâce à Newton et l’invention du télescope) les siècles suivants vont être très fertiles en découvertes astronomiques. Comètes, nébuleuses…

Une histoire va nous intéresser en particulier :

La découverte des planètes

Armés de la théorie de la gravitation universelle (loi de Newton), ne nombreux astronomes ne cherchaient pas de nouvelle planètes … mais des comètes.

L’engouement pour les comètes

En effet, en 1705, un certain Edmund Halley, s’appuyant sur les lois de Newton, publia un livre dans lequel il expliquait que les comètes visibles en 1531, 1607 et 1682 n’étaient qu’une seule comète repassant tous les 76 ans. Il prédisait son nouveau passage en 1758.

Lalande, Mercier, Herschel sont de la partie de chasse aux comètes.

En 1781, William Herschel détecta un astre qu’il prit d’abord pour une comète, mais poursuivant ses observations fut déçu de découvrir que ce n’en était pas une… pour finalement comprendre qu’il venait de mettre à jour une planète !

C’est Uranus, une planète à la limite d’être visible à l’oeil nu.

Alors, la frénésie astronomique se tourna vers cette planète. Les lois de Newton et Kepler décrivaient tant bien que mal son orbite, mais même avec les meilleures mesures, il persistait un décalage entre la position calculée et la position observée d’Uranus. Oh, pas grand chose, 1/15ème de lune, mais quand même !

Les grands noms de la physique de l’époque vont tenter d’expliquer cet écart :

Arago, Bouvard, Laplace

Une 8ème planète ? Pourquoi pas…

Ils ont l’idée d’invoquer une 8ème planète qui perturberait l’orbite d’Uranus.

La tâche de la trouver fut donnée à Urbain Le Verrier. Il calcula alors la position de cette planète hypothétique et donna ses coordonnées à un astronome allemand, Johann-Gottfried Galle, qui trouve immédiatement la 8ème planète, le 25 septembre 1946. Neptune entre dans le bal des planètes ! Trouvée par le calcul. (Je vous passe les erreurs, chances, challengers de cette découverte. Tout est super bien expliqué dans cet épisode de J’ménerve pas, j’explique : La Découverte des Planètes (2/2))

Même problème, même solution !

Le Verrier va s’intéresser à une autre planète qui pose problème. L’obite de Mercure se décale d’un epsilon de sa trajectoire calculée.

Il n’en faut pas plus au désormais célèbre découvreur de Neptune pour invoquer une nouvelle planète orbitant entre le Soleil et Mercure.

Et avant même de l’avoir trouvée, il la nomma Vulcain.

Ce n’était pas délirant du tout. Une telle planète pourrait se trouver là sans qu’on ait pu la voir à cause de la luminosité solaire. Mais si on sait qu’elle doit être là, alors pas de doute, on va la détecter !

Mais observations après observations, point de Vulcain… et Mercure qui continue son petit décalage, tranquille…

Même problème, autre solution

Il faudra attendre 1915 pour enfin expliquer ce décalage : à cet endroit, l’espace-temps est courbé par la masse du Soleil, en fait c’est vrai pour tout le système solaire, mais ce n’est perceptible que très proche du Soleil

Quoi ? L’espace se tord ? Eh oui ! Enfin non, pas l’espace mais l’espace-temps.

C’est Einstein qui, avec sa nouvelle théorie de la gravitation appelée relativité générale, le découvre. Et pour conforter sa théorie, il doit la confronter à l’observation.

Il va calculer le périhélie de Mercure avec ses formules et BAM !! dans le mille, plus aucun décalage entre calculs et orbite réelle. C’est la première confirmation de la relativité générale, et adieu Vulcain par la même occasion, elle n’existe pas, pas besoin d’elle…

En sciences, le réel s’impose à nous

Cette histoire des sciences est un cas d’école.

Au départ, on a une théorie qui fonctionne super bien. Celle de Newton.

Elle fonctionne tellement bien qu’elle permet de prédire les trajectoires de comètes et même de découvrir une planète juste par le calcul selon ses lois.

Lors de l’observation d’un petit décalage dans la position d’Uranus, la première idée est de se dire que la loi est bonne et qu’on a à faire à des imprécisions de mesures.

Les mesures se précisant et confirmant un décalage, il faut bien chercher l’erreur.

Certains pensaient que si loin de nous, les lois de Newton n’étaient plus valables. Les autres pensaient plutôt que les lois étaient fiables mais invoquent un truc inconnu pour expliquer les incohérences. Et ça marche, on trouve Neptune !

Pour le problème de Mercure, on a exactement le même schéma. Il est donc logique que la même solution s’applique. Et bien non, il faut repenser les théories et oublier le truc inconnu qui perturbe Mercure.

Sans coller au réel, chaque solution est mathématiquement viable, correcte. C’est le réel qui impose une solution précise.

Le réel et la science d’aujourd’hui

La Nature nous réserve des tas de surprises.

Matière noire, énergie noire, particules super-symétriques, gravitation des trous noirs, premiers instants de l’univers

Nous sommes, dans tous ces domaines, dans des situations de tension entre observations et théories. Et on ne sait pas s’il faut améliorer les théories, les changer complètement ou invoquer des trucs qu’on ne connait pas encore…

Une théorie, aussi solide soit-elle n’est que la meilleure explication du réel qu’on ait à un instant donné. Pas de vérité vraie en sciences, mais de solides convictions.

La théorie de la relativité générale est « prouvée » par des millions d’expériences. Elle est fiable, prédictive, elle colle aux dernières découvertes (trous noirs et ondes gravitationnelles) mais on sait déjà qu’elle est insuffisante.

Au coeur des trous noirs, elle est inopérante; aux premiers instants de l’univers idem; l’énergie noire entre en tension avec elle…

Cette théorie n’est donc que la meilleure explication de la gravitation qu’on ait. Et on cherche mieux (théorie des cordes, gravitation quantique à boucles…)

Mais c’est quoi ces histoires d’invoquer des esprits ?

Euh, pas tout à fait, je n’ai pas parlé d’esprits mais de trucs réels qu’on ne connait pas encore. Pour les esprits, on va voir demain le principe de parcimonie

Sources

James Lequeux, « La découverte de Neptune par Le Verrier (1846) », Bibnum En ligne, Physique, mis en ligne le 01 juin 2010, consulté le 28 février 2021. URL : http://journals.openedition.org/bibnum/692

M. Dougli (2018), La Découverte des Planètes (2/2) #07 Science, Chaine Youtube J’menerve pas, j’explique.

Inspirations de Aurélien Barreau, Etienne Klein, Roland Lehoucq et Richard Taillet

Mon défi : Tour d’horizon de la science en 30 jours

Les règles que je me suis fixées :

  • Je publie un article par jour pendant le mois de mars 2021
  • Je traite de la méta question de LA science
  • Je fournis mes sources principales
  • Je suis faillible et peux faire des erreurs, je les reconnaitrai publiquement lors de la correction d’articles (et créditerai celui ou celle qui me le fera savoir) – pas pour des fautes d’orthographe non plus 😉 il n’y a pas d’intérêt.

J’aimerais votre avis sur mon défi :

  • est-ce une bonne idée ?
  • que souhaitez-vous que je traite ?
  • est-ce utile, avez-vous appris de mes articles ?

J’attends vos commentaires.

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