Philosophie de la cosmologie , livre ebook
278
pages
Français
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2025
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Publié par
Date de parution
05 juin 2025
EAN13
9782759837403
Langue
Français
Poids de l'ouvrage
29 Mo
Discipline en pleine émergence enseignée dans plusieurs prestigieuses universités anglo-saxonnes, la Philosophie de la Cosmologie adresse des questions au coeur de notre situation d’êtres humains : qu’est-ce que l’Univers ? Pouvons-nous comprendre l’Univers ? Revêt-il une fonction ?Tandis que la science questionne le « comment » des phénomènes en élaborant des modèles théoriques, la Philosophie de la Cosmologie interroge le « pourquoi » de ces théories, quels sont leurs fondements et leurs paradigmes. Pourquoi y a-t-il eu un Big-Bang ? Pourquoi existe-t-il une flèche du temps ? Pourquoi le réel ne nous apparaît-il pas superposé comme la théorie quantique le dicte ?Le livre expose l’ensemble de la discipline en introduisant une nouvelle approche en philosophie des sciences : une diagrammatique des fondements de chaque théorie, ainsi que la représentation schématique des paradigmes scientifiques. Douze diagrammes de fondements et douze paradigmes illustrent la découverte philosophique de la relativité, la cosmologie, la mécanique quantique, la théorie quantique des champs, la théorie des cordes, la gravité quantique, parmi plus de quatre-vingts figures.Tout au long de l’ouvrage, ces diagrammes accompagneront le lecteur cherchant des réponses à ce qui est peut-être l’unique question : « qu’est-ce que le Réel ? ».Introduction ............................................... 5Plan de l’ouvrage ............................... 7Unification de la relativité et du quantique...................................... 11Tableau comparatif de la relativité générale et de la mécanique quantique .................... 12Continuum et différentiabilité .. 16Diagrammes de fondements...... 191 Théories de la relativité ................. 231.1 Introduction ............................... 231.2 Fondements de la relativité 231.3 Paradigmes ................................. 381.4 Relativité et Univers‐bloc .... 401.5 Conclusion ................................... 422 Cosmologie ........................................... 432.1 Introduction ............................... 432.2 Fondements de la cosmologie relativiste........................ 522.3 Paradigmes ................................. 662.4 Conclusion ................................... 763 Mécanique quantique ..................... 773.1 Introduction ............................... 773.2 Fondements de la mécanique quantique........................ 873.3 Paradigmes .............................. 1053.4 Conclusion ................................ 1114 Théorie quantique des champs 1174.1 Introduction ............................ 1174.2 Fondements............................. 1194.3 Paradigmes .............................. 1244.4 Conclusion ................................ 1305 Physique des particules .............. 1315.1 Introduction ............................ 1315.2 Fondements du modèle standard de la physique des particules ................................. 1335.3 Paradigme ................................ 1375.4 Conclusion ................................ 1386 Théorie des cordes ........................ 1396.1 Introduction ............................ 1396.2 Fondements de la théorie des cordes................................. 1396.3 Paradigmes .............................. 1436.4 Conclusion ................................ 1477 Gravité quantique .......................... 1497.1 Introduction ............................ 1497.2 Fondements de la gravité quantique à boucles...................... 1547.3 Paradigme ................................ 1577.4 Conclusion ................................ 1598 Trous noirs ........................................ 1638.1 Introduction ............................ 1638.2 Fondements............................. 1668.3 Paradigme ................................ 1718.4 Conclusion ................................ 1739 Temps et entropie.......................... 1759.1 Introduction ............................ 1759.2 Paradigme ................................ 1859.3 Conclusion ................................ 18510 Philosophie du principe de moindre action............................ 18910.1 Introduction ......................... 18910.2 Fondements du principe de moindre action........................ 19110.3 Débat philosophique ........ 19610.4 Conclusion ............................. 19711 Métaphysique de la mathématique.................................................. 19911.1 Introduction ......................... 19911.2 Paradigme.............................. 21711.3 Conclusion ............................. 22012 Multivers et Fine Tuning ......... 22312.1 Introduction ......................... 22312.2 Fondements des multivers physiques............................... 23412.3 Paradigme.............................. 24112.4 Conclusion ............................. 24113 Théorie de la simulation .......... 24313.1 Introduction ......................... 24313.2 Fondements de la théorie de la simulation.................... 25613.3 Paradigme.............................. 25913.4 Conclusion ............................. 260Remerciements ................................... 263Glossaire ................................................. 265Épilogue .........275
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05 juin 2025
EAN13
9782759837403
Langue
Français
Poids de l'ouvrage
29 Mo
Philosophie de la cosmologie Paradigmes et fondements des sciences de l’Univers
Jean-François Becquaert
Philosophie de la cosmologie Paradigmes et fondements des sciences de l’Univers
Jean-François Becquaert
Discipline en pleine émergence enseignée dans plusieurs prestigieuses universités anglo-saxonnes, la Philosophie de la Cosmologie adresse des questions au cœur de notre situation d’êtres humains : qu’est-ce que l’Univers ? Pouvons-nous comprendre l’Univers ? Revêt-il une fonction ?
Tandis que la science questionne le « comment » des phénomènes en élaborant des modèles théoriques, la Philosophie de la Cosmologie interroge le « pourquoi » de ces théories, quels sont leurs fondements et leurs paradigmes. Pourquoi y a-t-il eu un Big-Bang ? Pourquoi existe-t-il une flèche du temps ? Pourquoi le réel ne nous apparaît-il pas superposé comme la théorie quantique le dicte ?
Le livre expose l’ensemble de la discipline en introduisant une nouvelle approche en philosophie des sciences : une diagrammatique des fondements de chaque théorie, ainsi que la représentation schématique des paradigmes scientifiques.
Douze diagrammes de fondements et douze paradigmes illustrent la découverte philosophique de la relativité, la cosmologie, la mécanique quantique, la théorie quantique des champs, la théorie des cordes, la gravité quantique, parmi plus de quatre-vingts figures.
Tout au long de l’ouvrage, ces diagrammes accompagneront le lecteur cherchant des réponses à ce qui est peut-être l’unique question : « qu’est-ce que le Réel ? ».
L’auteur, docteur en astrophysique, enseigne depuis dix ans la Philosophie de la Cosmologie à l’École Nationale d’Aéronautique et de Spatial de Toulouse (SUPAERO).
978-2-7598-3739-7
9 782759 837397
www.edpsciences.org
Philosophie de la cosmologie
Paradigmes et fondements des sciences de l’Univers
Jean-François Becquaert
Illustration de couverture.: les 240 vecteursLe polytope de Gosset de racines. Graphe E8 en projection bidimensionnelle, Peter McMullen, https://fr.m.wikipedia.org/wiki/Fichier:E8_graph.svg
du système 4 juin 2007,
Toutes les figures sont de l’auteur à l’exception des figures 31 (Bob Coecke) et figure 78 (Stephen Wolfram), reproduites avec la permission des auteurs.
Imprimé en France
ISBN (papier) : 978‐2‐7598‐3739‐7 – ISBN (ebook) : 978‐2‐3740‐3
Tous droits de traduction, d’adaptation et de reproduction par tous procédés, réservés pour tous pays. La loi du 11 mars 1957 n’autorisant, aux termes des alinéas 2 et 3 de l’article 41, d’une part, que les « copies ou reproductions strictement réservées à l’usage privé du copiste et non destinées à une utilisation collective », et d’autre part, que les analyses et les courtes citations dans un but d’exemple et d’illustration, « toute représentation intégrale, ou partielle, faite sans le consentement er de l’auteur ou de ses ayants droit ou ayants cause est illicite » (alinéa 1 de l’article 40). Cette représentation ou reproduction, par quelque procédé que ce soit, constituerait donc une contrefaçon sanctionnée par les articles 425 et suivants du Code pénal.
© EDP Sciences, 2025 17 avenue du Hoggar – BP 112 – PA de Courtabœuf – 91944 Les Ulis Cedex A
Sommaire
Introduction................................................................................................................................................................ 5 Plan de l’ouvrage ................................................................................................................................................ 7 Unification de la relativité et du quantique ........................................................................................11 Tableau comparatif de la relativité générale et de la mécanique quantique ....................12 Continuum et différentiabilité...................................................................................................................16 Diagrammes de fondements.......................................................................................................................19 1 Théories de la relativité ..................................................................................................................................23 1.1 Introduction ................................................................................................................................................23 1.2 Fondements de la relativité.................................................................................................................23 1.3 Paradigmes ..................................................................................................................................................38 1.4 Relativité et Univers‐bloc .....................................................................................................................40 1.5 Conclusion....................................................................................................................................................42 2 Cosmologie ............................................................................................................................................................43 2.1 Introduction ................................................................................................................................................43 2.2 Fondements de la cosmologie relativiste.....................................................................................52 2.3 Paradigmes ..................................................................................................................................................66 2.4 Conclusion....................................................................................................................................................76 3 Mécanique quantique ......................................................................................................................................77 3.1 Introduction ................................................................................................................................................77 3.2 Fondements de la mécanique quantique .....................................................................................87 3.3 Paradigmes ...............................................................................................................................................105 3.4 Conclusion.................................................................................................................................................111 4 Théorie quantique des champs.................................................................................................................117 4.1 Introduction .............................................................................................................................................117 4.2 Fondements..............................................................................................................................................119 4.3 Paradigmes ...............................................................................................................................................124 4.4 Conclusion.................................................................................................................................................130 5 Physique des particules ...............................................................................................................................131 5.1 Introduction .............................................................................................................................................131 5.2 Fondements du modèle standard de la physique des particules .................................133 5.3 Paradigme .................................................................................................................................................137 5.4 Conclusion.................................................................................................................................................138
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Philosophie de la Cosmologie 6 Théorie des cordes .........................................................................................................................................139 6.1 Introduction .............................................................................................................................................139 6.2 Fondements de la théorie des cordes .........................................................................................139 6.3 Paradigmes ...............................................................................................................................................143 6.4 Conclusion.................................................................................................................................................147 7 Gravité quantique ...........................................................................................................................................149 7.1 Introduction .............................................................................................................................................149 7.2 Fondements de la gravité quantique à boucles ..................................................................... 154 7.3 Paradigme .................................................................................................................................................157 7.4 Conclusion.................................................................................................................................................159 8 Trous noirs .........................................................................................................................................................163 8.1 Introduction .............................................................................................................................................163 8.2 Fondements..............................................................................................................................................166 8.3 Paradigme .................................................................................................................................................171 8.4 Conclusion.................................................................................................................................................173 9 Temps et entropie...........................................................................................................................................175 9.1 Introduction .............................................................................................................................................175 9.2 Paradigme .................................................................................................................................................185 9.3 Conclusion.................................................................................................................................................185 10 Philosophie du principe de moindre action ...................................................................................189 10.1 Introduction ..........................................................................................................................................189 10.2 Fondements du principe de moindre action ........................................................................191 10.3 Débat philosophique.........................................................................................................................196 10.4 Conclusion ..............................................................................................................................................197 11 Métaphysique de la mathématique.....................................................................................................199 11.1 Introduction ..........................................................................................................................................199 11.2 Paradigme...............................................................................................................................................217 11.3 Conclusion ..............................................................................................................................................220 12 Multivers et Fine Tuning ..........................................................................................................................223 12.1 Introduction ..........................................................................................................................................223 12.2 Fondements des multivers physiques .....................................................................................234 12.3 Paradigme...............................................................................................................................................241 12.4 Conclusion ..............................................................................................................................................241 13 Théorie de la simulation...........................................................................................................................243 13.1 Introduction ..........................................................................................................................................243 13.2 Fondements de la théorie de la simulation ...........................................................................256 13.3 Paradigme...............................................................................................................................................259 13.4 Conclusion ..............................................................................................................................................260 Remerciements ....................................................................................................................................................263 Glossaire ..................................................................................................................................................................265 Épilogue ...................................................................................................................................................................275
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Introduction
« Si ma conception de la philosophie est correcte, cette discipline est la plus riche des tâches intellectuelles. Elle a bâti des cathédrales avant même que les ouvriers n’aient déplacé une seule pierre ; elle les a détruites avant même que les éléme nts n’aient érodé leur structure. Elle est l’architecte des constructions de l’esprit. » (Alfred North Whitehead, « La Science et le Monde moderne », 1926)
La Philosophie de la Cosmologie est une discipline moderne dirigée vers les fondations conceptuelles de la cosmologie et la contemplation philosophique de l’Univers conçu comme une totalité.
Par l’entremise d’arguments déductifs et inductifs, elle adresse l’origine et la nature de l’Univers et tente de répondre à des questions telles que « Qu’est‐ce que l’Univers ? » et « Comment pouvons‐nous comprendre un Univers dans lequel nous nous trouvons nous‐ mêmes ? ».
Elle s’appuie sur les théories fondamentales de la physique – thermodynamique, méca‐ nique quantique, théorie quantique des champs, relativités restreinte et générale – et sur plusieurs branches de la philosophie – philosophie de la physique, philosophie des 1 sciences,métaphysique,philosophie des mathématiques etépistémologie.
Depuis le début des années 2000, les universités de Stanford et Santa‐Cruz (USA) ainsi qu’Oxford (UK) et Utrecht (Pays‐Bas) insèrent dans leur cursus un PhD (doctorat) en « Philosophy of Cosmology ».
Peut‐être pourrions‐nous présenter les choses ainsi : tandis que la science questionne le « comment » des phénomènes en élaborant des modèles théoriques, la Philosophie de la Cosmologie s’enquiert du « pourquoi » de ces théories, quels sont leurs fondements et leursparadigmes. Pourquoi y‐a‐t‐il eu unBig-Bang? Pourquoi existe‐t‐il une flèche du temps ? Pourquoi le réel n’est‐il pas apparemment superposé alors que la mécanique quantique stipule qu’il devrait l’être ?
L’acquisition de connaissance revêt généralement trois aspects :
Un aspect cognitif : les mécanismes de production de connaissance par un observateur conscient ;
1 Une fonte italique invite à se reporter au glossaire en fin d’ouvrage. – 5 –
Philosophie de la Cosmologie Un aspect ontologique ou métaphysique : la nature des objets de connaissance ; Un aspect épistémologique : le produit de la connaissance et sa valeur.
Parontologie, nous entendons la branche de la philosophie qui s’interroge sur la signification du mot « être ». Par métaphysique, la branche de la philosophie qui étudie la nature fondamentale de la réalité, l’être et l’identité, l’espace et le temps, la causalité, la nécessité et la possibilité.
La Philosophie de la Cosmologie emploie des modes d’acquisition ontologique et épistémologique de la connaissance, avec une méthode essentiellement discursive et métaphysique.
D’ailleurs, le mot « philosophie » sera souvent à comprendre dans l’ouvrage sous sa signification d’étude des fondements, comme dans « philosophie des sciences », plutôt qu’à son sens habituel d’amour de la sagesse, ce qu’il signifie étymologiquement.
Le présent livre repose sur une dizaine d’années d’enseignement de la Philosophie de la Cosmologie à ISAE‐SUPAERO (Institut Supérieur d’Aéronautique et de Spatial, Toulouse).
Le lecteur y trouvera exposé l’ensemble de la discipline, son périmètre de question‐ nement et les différentes thèses qui s’y rapportent. Toutefois, nous proposerons parfois nos opinions, nous prendrons parfois parti pour certaines idées, et des hypothèses philosophiques et scientifiques seront avancées. Le cas échéant, une phrase signalera au lecteur que le propos rapporté à partir de ce marqueur n’est plus consensuel. De la sorte, le lecteur dispose d’une liberté pleine et entière de passer outre ces réflexions s’il désire ne s’en tenir qu’à un discours didactique agréé par la communauté scientifique.
La principale nouveauté du livre réside dans l’introduction de « diagrammes de fondements » qui sont autant de cartes mentales permettant de comprendre les flux d’informations qui sous‐tendent la physique.
Le second angle consiste à dresser lesparadigmesde la physique, c’est‐à‐dire établir un portrait conceptuel de chaque théorie. Dans son ensemble, le livre se propose d’être un bréviaire des principales images scientifiques du monde.
Ces deux angles complémentaires ont vocation à permettre à l’étudiant, à l’ingénieur, au chercheur spécialisé, – ou simplement à la personne curieuse –, une prise de recul bénéfique sur ce que la science dit de l’Univers.
« Tant de gens aujourd’hui – et même des scientifiques professionnels – me paraissent comme quelqu’un qui a vu des milliers d’arbres mais n’a jamais contemplé une forêt. La connaissance du fond historique et philosophique donne une espèce d’indépendance vis-à-vis des préjugés dont souffrent la majorité des scientifiques d’une génération. Créée par l’intuition philosophique, cette indépendance est, à mon sens, la marque de distinction entre un artisan ordinaire – un spécialiste –, et le véritable chasseur de la vérité. » (Albert Einstein cité par Don Howard, « Albert Einstein as a philosopher of science », 2005)
– 6 –
Plan de l’ouvrage
Introduction
Le premier chapitre étudie la théorie de la relativité du fait que larelativité générale(1915) est la mère de la cosmologie. En substantivant l’Univers sous la forme d’un objet matériel muni de propriétés physiques, la relativité générale porta à la naissance une cosmologie de la mesure. On ne peut comprendre la cosmologie moderne sans examiner soigneusement la philosophie de la relativité.
Le second chapitre, dévolu à la cosmologie, constitue le cœur thématique du livre. Lacosmologie– étymologiquement « science du cosmos » – est la matrice des paradigmes qui furent élaborés au fil de l’histoire des civilisations pour répondre à la question : qu’est‐ ce que l’Univers ? Nous poserons à cet instant les contours de la Philosophie de la Cosmologie et présenterons l’évolution historique des cosmologies, depuis les anciennes cosmogonies jusqu’au modèle standard de la cosmologie moderne. La cosmologie théorique, basée sur la relativité générale, secondée par la cosmologie observationnelle qui arpente, photographie, cartographie l’espace profond en s’appuyant sur des 2 3 télescopes spatiaux et un réseau de vastes observatoires astronomiques terrestres , préside au paradigme aujourd’hui commun : le Big‐Bang, l’expansion cosmique,le rayonnement fossile, lanucléosynthèse primordiale des premiers éléments naturels, la formation desgalaxies, les ondes gravitationnelles…
Le chapitre 3 est consacré à la mécanique quantique. Il forme le cœur philosophique de l’ouvrage car philosophique fut la mécanique quantique dès sa naissance en 1901. La formalisation mathématique de la théorie en 1925 ne fit que rendre ses problèmes d’interprétation plus aigus. Les joutes verbales Einstein‐Bohr‐Heisenberg lors de la 45 conférence Solvay de 1927 sont restées célèbres. Niels Bohr et Albert Einstein entretinrent la flamme de leur débat jusqu’à la fin des années 1940. Cette opposition conceptuelle entre les deux hommes symbolise deux visions opposées du monde : les réalistesscientifiques d’un côté, menés par Albert Einstein en ardent avocat de l’existence d’un Univers indépendant des observateurs conscients ; de l’autre, les Bohr‐Heisenberg‐ Pauli‐Born‐Jordan, « l’école de Copenhague », qui fait valoir que le processus de mesure est fondamentalement probabiliste, et que la division entre objet et ensemble du monde est arbitraire.
Un siècle après l’élaboration de la mécanique quantique (1925, Heisenberg ; 1926, Schrödinger), le paradigme quantique demeure difficile à définir. Non seulement la théorie quantique n’est pas construite sur des principes fondamentaux contrairement à la théorie de la relativité, mais encore elle se base sur des concepts peu intuitifs car détachés de l’expérience empirique : leprincipe de superposition, en premier lieu, qui énonce qu’une entité matérielle quelconque, de la fleur à l’étoile, s’associe à une infinité
2 Hubble Space Telescope (1990), Planck (2013), James Webb Space Telescope (2021), entre autres… 3 Extremely Large Telescope (Chili), grand télescope d’Afrique Australe, télescopes Keck à Hawaï, etc. 4 Physicien danois, père de l’école de Copenhague (1885-1962), prix Nobel 1922 pour la structure quantique de l’atome. 5 Physicien théoricien helvético-américain (1879-1955), père des relativités restreinte et générale, prix Nobel 1921 pour l’explication de l’effet photo-électrique.– 7–
Philosophie de la Cosmologie d’états physiques simultanés, ce qui empêche de définir ce que cet objet représente en tant qu’unitéontologique. Mais encore l’intrication(1935) reliant deux particules comme si les distances n’existaient pas. Lanon-localité(1982) interconnectant toutes les régions de l’espace‐temps. Enfin lacontextualité2000), accréditant le caractère (années étrangement holistique de l’Univers. Malgré ces difficultés de représentation, nous avons tout de même tenté de schématiser un paradigme quantique en nous appuyant sur les 6 7 travaux de Bernard d’Espagnat et John Wheeler .
Au chapitre 4, nous étudierons la philosophie de lathéorie quantique des champs.Unchamp est un objet physique diffus dans l’ensemble de l’espace‐temps. Les champs sont des objets centraux de la physique moderne. Initialement de nature e e classique (champ électromagnétique du XIX siècle), ils sont devenus au XX siècle des objets quantiques à l’instar des particules. Toute chose peut être quantifiée et les champs quantiques forment le cœur d’une théorie qui prolonge la mécanique quantique à l’aune de la relativité restreinte (et non de la relativité générale car le champ gravitationnel n’est pas quantifiable comme les autres). L’histoire de la théorie quantique des champs recèle par ailleurs une épopée remarquable, de celles qui donnent envie de la partager avec ses amis voire de faire de la philosophie des sciences : la découverte de l’antimatièrepar Paul 8 Dirac en 1930.
Le chapitre 5 interroge le statut de la matière. Le modèle standard de la physique des particules résulte d’une tradition atomiste centenaire fondée sur l’hypothèse d’un réductionnisme extrême permettant de comprendre la matière sous la forme d’entités e élémentaires appelées des particules, que la technologie du XX siècle a permis de révéler grâce à des accélérateurs et des collisionneurs géants (dont le CERN). Le modèle est aujourd’hui riche de 25 particules élémentaires, toutefois, il ne comporte pas de particule de gravité.
Les chapitres 6 et 7 prospectent deux théories contemporaines qui sont en quelque sorte des prémisses de mariage entre la relativité et la mécanique quantique :la théorie des cordes(chapitre 6) et lagravité quantique(chapitre 7).
D’origine matérielle, la théorie des cordes postule une origine vibratoire aux particules sous la forme d’objets considérablement plus petits qu’elles, de quelques longueurs de Planckseulement, appelés des « cordes ». La théorie des cordes simplifie le contenu de l’Univers : toutes les particules de matière et d’interaction se réduisent à un type unique d’objet, une corde. Parce qu’elle inclut une particule de gravité, en plus de la matière et des trois interactions, la théorie des cordes peut prétendre constituer une théorie d’unification. D’origine géométrique, la gravité quantique s’attache à unifier la mécanique quantique et la relativité générale en quantifiant l’espace. Le principe est d’assimiler l’espace‐temps au champ gravitationnel. Par une méthode graphique, la théorie de la gravité quantique à boucles parvient à quantifier le champ gravitationnel. La matière
6 Physicien théoricien français (1921-2015), spécialiste de mécanique quantique. 7 Physicien théoricien américain (1911-2008), spécialiste de relativité générale et des trous noirs. 8 Physicien théoricien britannique (1902-1984), père de mécanique quantique relativiste.– 8 –
