Ce texte est une version augmentée par l’auteur d’un
ouvrage paru en italien en 2004 aux éditions Di Renzo :
Che cos’è il tempo ? Che cos’è lo spazio ?

Version française révisée par Elisa Brune.

Couverture : Delphine Dupuy
Illustration de couverture : à partir de l’image © lynea / Adobe Stock
Mise en pages : Nord Compo

© Dunod, 2012, 2014, 2021 pour la présente édition
11 rue Paul Bert, 92240 Malakoff
www.dunod.com

ISBN : 978-2-10-082519-6

À Élisa Brune

PRÉFACE À LA SECONDE ÉDITION

Carlo Rovelli est physicien théoricien et compte parmi les initiateurs de la théorie de la gravité quantique à boucles, un sujet d’une difficulté mathématique effrayante. Pourtant, lorsque je l’ai rencontré et entendu dans une réunion interdisciplinaire, il s’est montré capable de parler de son travail de façon si claire qu’un adolescent de quinze ans l’aurait suivi de bout en bout, et sur un mode si passionnant que le jeune auditeur aurait voulu savoir comment devenir physicien à son tour.

Carlo Rovelli travaille à la pointe de la technique, mais il ne cède jamais au plaisir de la voltige pour elle-même. Il garde à l’œil les questions qu’il cherche à résoudre. Cette conscience des enjeux fait de lui un vulgarisateur magique. Schématiquement, de manière limpide, il brosse le tableau de la physique fondamentale pour en éclairer les failles – ces questions ouvertes qui engloutissent les physiciens d’aujourd’hui.

Puis, au-delà de la physique, c’est la science dans son ensemble, ses rapports avec les autres domaines de connaissance et son rôle dans la société, qu’il interroge. Le physicien n’est pas, ne peut pas être, un technicien déconnecté des réalités – puisque c’est de la réalité qu’il prétend parler. Le monde qu’il interroge dans l’accélérateur de particules et le monde où il s’éveille chaque matin ne font qu’un. Mieux que tout autre scientifique, Carlo Rovelli nous fait sentir cette intense connexion de l’activité du chercheur avec le bourdonnement du monde.

L’éditeur italien Sante Di Renzo a eu la clairvoyance de solliciter Carlo Rovelli pour concevoir un texte destiné aux jeunes qui seraient curieux d’embrasser la carrière scientifique. De plusieurs entretiens sur le parcours du physicien est né l’ouvrage Che cos’è il tempo ? Che cos’è lo spazio ?

Lorsque j’eus moi-même l’idée de le publier, après l’avoir entendu en conférence, Carlo Rovelli me proposa de reprendre ce texte en le développant à la fois dans le sens du contenu scientifique et dans sa réflexion sur la science. C’est donc un texte plus pointu et plus large, un véritable « cône de pensée » qui nous est donné à lire ici. On y apprend où va la physique de demain et pourquoi elle rejoint Aristote, à quoi ressemble un « grain » d’espace-temps et comment l’étude de ce genre de questions peut jouer un rôle important sur le chemin de la civilisation.

Plus qu’un ouvrage de science, c’est une démonstration d’esprit scientifique, cette tournure d’esprit si naturelle aux enfants, si difficile à garder.

Élisa Brune

PROLOGUE

J’ai consacré une grande partie de ma vie à la recherche scientifique, mais la science a été pour moi une passion tardive. Quand j’étais jeune, plus que la science c’était le monde entier qui me fascinait.

J’ai grandi à Vérone, dans une famille tranquille. Mon père, un homme d’une rare intelligence, discret et réservé, était ingénieur et dirigeait sa propre entreprise. Il m’a transmis le plaisir de regarder le monde avec curiosité. Ma mère, une vraie Italienne débordant d’amour pour son fils unique, m’apportait son aide dans les « recherches » que j’effectuais pour l’école primaire, et nourrissait mon appétit de découvrir.

J’ai fréquenté le Lycée classique à Vérone, où l’on étudiait le grec et l’histoire plus que les maths. C’était un établissement riche en stimulants culturels, mais prétentieux et provincial, campé sur sa mission de protection des privilèges et de l’identité de la bourgeoisie locale. Plusieurs enseignants avaient été des fascistes avant la guerre, et l’étaient encore dans le secret de leur cœur. C’étaient les années soixante et soixante-dix, et le conflit entre les générations faisait rage. Le monde changeait rapidement. La plupart des adultes autour de moi avaient du mal à accepter l’évolution ; ils se raidissaient dans des positions défensives et stériles. Je leur faisais peu confiance, et encore moins à mes professeurs. J’entrais constamment en conflit avec eux et avec toute figure d’autorité.

Mon adolescence a été un terrain de révolte. Je ne me reconnaissais pas dans les valeurs exprimées autour de moi, j’évoluais en pleine confusion et rien ne me semblait certain. Une seule chose était claire : le monde que je voyais était différent de celui qui m’aurait semblé juste et beau. Je rêvais de devenir SDF et de quitter cette réalité qui ne me plaisait pas. Je lisais avec avidité les livres qui me parlaient d’autres façons de vivre et d’idées différentes. Je pensais qu’il y avait des trésors merveilleux cachés dans chaque livre que je n’avais pas encore lu.

Pendant mes études universitaires à Bologne, mon conflit avec le monde adulte a rejoint le parcours d’une grande partie de ma génération. Nous voulions changer le monde, le rendre meilleur, moins injuste ; trouver de nouvelles façons de vivre et d’aimer ; expérimenter de nouvelles formes communautaires ; tout essayer. Nous tombions amoureux tout le temps et discutions à l’infini. Nous voulions apprendre à voir les choses sans a priori. Il y avait des moments de désarroi, et d’autres où il nous semblait entrevoir l’aube d’un monde nouveau.

C’était une époque où l’on vivait de rêves. On voyageait beaucoup : dans la tête, et sur la route, en quête d’amis et d’idées. À vingt ans, je suis parti pour un long voyage en solitaire autour du globe. Je voulais partir à l’aventure, « chercher la vérité ». Aujourd’hui, à la cinquantaine, cette naïveté me fait sourire mais il me semble quand même que le choix était bon, et d’une certaine façon je poursuis toujours une aventure commencée à cette époque. Le chemin n’a pas toujours été facile, mais les espoirs insensés et les rêves sans bornes ne m’ont pas abandonné ; il fallait seulement avoir le courage de les suivre.

Avec un groupe d’amis, j’ai animé une des premières radios libres de cette époque, radio Alice, à Bologne. Le micro était ouvert à quiconque voulait s’exprimer sur les ondes. Radio Alice brassait les expériences et les utopies. Avec deux de ces amis, j’ai rédigé un livre qui raconte la rébellion étudiante italienne de la fin des années soixante-dix. Mais rapidement les espoirs de révolution ont été étouffés et l’ordre a repris le dessus. On ne change pas le monde si facilement.

À mi-chemin de mes études universitaires, je me suis senti plus perdu qu’avant, avec le sentiment amer que les rêves partagés par la moitié de la planète étaient déjà en train de s’évanouir. Je n’avais pas idée de ce que j’allais faire de ma vie. Rejoindre la course à l’ascension sociale, faire carrière, gagner de l’argent et grappiller des miettes de pouvoir, tout cela était trop triste. Ce n’était pas moi. Mais le monde entier restait à explorer, et derrière les nuages j’imaginais toujours des horizons sans limite.

La recherche scientifique est alors venue à ma rencontre – j’ai découvert là un espace de liberté illimité, une aventure aussi extraordinaire qu’ancienne. Jusque-là, j’étudiais parce que je devais passer des examens, et surtout pour retarder le service militaire obligatoire ; mais bientôt les matières que j’étudiais ont commencé à m’intéresser, puis à me passionner.

En troisième année du programme de physique, on rencontre la « nouvelle » physique, celle du XXe siècle : la mécanique quantique et la théorie de la relativité d’Einstein. Ce sont des idées fascinantes, des révolutions conceptuelles extraordinaires qui transforment notre vision du monde et bouleversent les vieilles idées, y compris celles que l’on considérait comme les plus solides. À travers elles, on découvre que le monde ne correspond pas aux apparences. On apprend à voir les choses d’un œil différent. C’est un formidable voyage de pensée. Ainsi, j’ai glissé d’une révolution culturelle avortée vers une révolution de pensée en cours.

Avec la science, j’ai découvert un mode de pensée qui commence par établir des règles pour comprendre le monde, et ensuite est capable de modifier ces règles mêmes. Cette liberté dans la poursuite de la connaissance me fascinait. Poussé par ma curiosité, et peut-être par ce que Federico Cesi, ami de Galilée et visionnaire de la science moderne, appelait « le désir naturel de savoir », je me suis retrouvé, presque sans m’en rendre compte, immergé dans des problèmes de physique théorique.

Mon intérêt pour cette discipline est donc né par accident et par curiosité plus que par un choix conscient. Au lycée, j’étais bon en maths, mais je me sentais surtout attiré par la philosophie. Si à l’université j’avais choisi d’étudier la physique et non la philosophie, c’était seulement parce que dans mon mépris des institutions établies je considérais les problèmes philosophiques trop importants pour qu’on en discute à l’école…

Ainsi, au moment où mon rêve de bâtir un monde nouveau s’est heurté à la réalité, je suis tombé amoureux de la science, qui contient des mondes nouveaux en nombre infini, tous encore à découvrir, et qui m’offrait la possibilité de suivre un chemin libre et lumineux dans l’exploration de ce qui nous entoure. La science a été pour moi un compromis qui me permettait de ne pas renoncer à mon désir de changement et d’aventure, de maintenir ma liberté de penser et d’être qui je suis, tout en minimisant les conflits que cela impliquait avec mon environnement. Mieux, je contribuais à une entreprise que le monde appréciait.

Je crois qu’une grande partie du travail intellectuel ou artistique trouve sa source dans cette manœuvre. Il offre une sorte de refuge pour les déviants potentiels. En même temps, la société a besoin de ce genre de personnes, car elle vit dans un état d’équilibre dynamique : d’un côté, des forces assurent sa stabilité et sa permanence, et empêchent le désordre de ruiner ce qui a déjà été construit ; de l’autre, le désir de changement et de justice tend à la modifier, à la faire progresser et évoluer. Sans ce désir de changement, la civilisation n’aurait jamais atteint le point où elle se trouve ; nous adorerions toujours les pharaons.

Je pense que la curiosité et la soif de changement de la jeunesse, présentes à chaque génération, sont la première source d’évolution de la société. À côté des figures d’ordre, qui maintiennent la stabilité, mais freinent l’histoire, il faut des gens qui vivent de rêves et se lancent dans la découverte de nouveaux territoires, d’idées originales, de façons inattendues de voir et de comprendre la réalité. Le monde actuel a été pensé et construit par ceux qui dans le passé ont été capables de rêver. Seuls de nouveaux rêves peuvent donner naissance à notre futur.

Ce livre présente quelques étapes du chemin parcouru suivant ma curiosité et les rêves qui ont été les miens. Il parle de la fascination pour les idées et les amis que j’ai rencontrés.

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UN PROBLÈME EXTRAORDINAIRE :
LA GRAVITÉ QUANTIQUE

Pendant ma quatrième année à l’université, je suis tombé sur un article écrit par un physicien anglais, Chris Isham, dans lequel il était question de gravité quantique. L’article expliquait qu’à la base de la physique contemporaine il y a un problème fondamental non résolu, lié à la définition du temps et de l’espace, c’est-à-dire à la structure de base du monde. J’ai lu cet article avec avidité. Je n’y ai pas compris grand-chose, mais la question que l’article illustrait m’a ensorcelé. Voici les grandes lignes du problème.

L’état déplorable de la physique fondamentale

La grande révolution scientifique du XXe siècle se compose de deux épisodes majeurs. D’un côté, il y a la mécanique quantique, de l’autre il y a la relativité générale d’Einstein. La mécanique quantique, qui décrit très bien le monde microscopique, a bouleversé profondément ce que nous savons de la matière. La relativité générale, qui explique précisément la force de gravité, a transformé radicalement ce que nous savons du Temps et de l’Espace. Ces deux théories ont été largement confirmées par l’expérience, et ont permis le développement d’une grande partie de la technologie contemporaine.

Mais ces théories mènent à deux manières très différentes de décrire le monde, à première vue incompatibles. Chacune des deux semble écrite comme si l’autre n’existait pas. Ce qu’un professeur de relativité générale explique en classe est un non-sens pour son collègue qui enseigne la mécanique quantique aux mêmes étudiants dans l’amphi d’à côté, et vice-versa. La mécanique quantique utilise les anciennes notions de temps et d’espace, contredites par la théorie de la relativité générale. Et la relativité générale utilise les anciennes notions de matière et d’énergie, contredites par la mécanique quantique.

Il n’y a pas de situation physique courante dans laquelle les deux théories s’appliquent simultanément. Selon l’échelle des phénomènes, c’est soit l’une, soit l’autre. Les situations physiques dans lesquelles les deux théories s’appliquent, comme les très petites distances, le centre d’un trou noir ou les premiers moments de la vie de l’Univers, impliquent des niveaux d’énergie difficilement accessibles à nos instruments.

Mais nous ne savons pas comment articuler ces deux grandes découvertes ; nous n’avons pas de cadre global pour penser le monde. Nous sommes dans une situation de schizophrénie, avec des explications morcelées et incompatibles les unes avec les autres. Au point qu’en réalité nous ne savons plus ce que sont l’Espace, le Temps et la Matière. La physique fondamentale d’aujourd’hui est dans un état déplorable.

Des situations similaires se sont produites dans l’histoire, par exemple avant l’œuvre unificatrice de Newton. Pour Kepler, qui observait les planètes et les étoiles, les objets décrivaient des ellipses. Pour Galilée, qui étudiait les objets tombant au sol, ils suivaient des paraboles. Mais Copernic avait compris que la Terre est un endroit comme un autre, elle n’a rien de particulier dans l’Univers. Par conséquent, pouvait-il y avoir une théorie qui fonctionne sur la Terre et une autre qui fonctionne dans le ciel ? Newton est parvenu à réconcilier les deux visions en une seule théorie : une même équation s’appliquant aux planètes et aux pommes qui tombent.

Cette belle unité a prévalu pendant trois siècles. Jusqu’au début du XXe siècle, la physique a été un ensemble de lois assez cohérent, fondé sur un petit nombre de notions clé comme le Temps, l’Espace, la Causalité et la Matière. Malgré des évolutions importantes, ces notions sont restées plutôt stables. Vers la fin du XIXe siècle des tensions internes ont commencé à s’accumuler, et pendant le premier quart du XXe siècle, la mécanique quantique et la relativité générale ont pulvérisé ces fondations. La belle unité newtonienne était perdue.

Les deux théories, mécanique quantique et relativité générale, ont obtenu d’énormes succès et une vérification expérimentale constante ; elles font maintenant partie de nos connaissances établies. Chacune des deux théories modifie la base conceptuelle de la physique classique d’une façon qui est cohérente pour sa part, mais nous ne disposons pas d’un cadre conceptuel capable d’englober les deux théories. En conséquence, nous n’avons aucun moyen de prédire ce qui se passe dans le domaine où la gravité commence à présenter des effets quantiques, à des échelles inférieures à 10⁻³³ cm. Des dimensions si petites sont extrêmes, mais il faut bien pouvoir les décrire. Le monde ne peut pas obéir à deux théories incompatibles. Des phénomènes à des échelles si petites se produisent effectivement dans la Nature, près du big bang ou bien à proximité d’un trou noir par exemple. Si nous voulons comprendre ces phénomènes, nous devons être capables de calculer ce qui se passe à cette échelle. Il faut, d’une façon ou d’une autre, réconcilier les deux théories. Cette mission est le problème central de la gravité quantique.

De toute évidence, c’est un problème difficile. Mais avec la témérité d’un jeune de vingt ans, j’ai décidé vers la dernière année de mes études universitaires que c’était le défi auquel je voulais consacrer ma vie. J’étais séduit par l’idée d’étudier des concepts aussi fondamentaux que le Temps et l’Espace, et par le fait même que la situation semblait inextricable.

En Italie, quasiment personne ne travaillait sur ce problème. Mes professeurs m’ont tous vivement déconseillé d’aller dans cette direction : « C’est une route qui ne mène nulle part », « Tu ne trouveras jamais de boulot », ou bien : « Tu devrais rejoindre une équipe forte et déjà bien établie ». Mais le seul résultat des conseils de prudence dispensés par les adultes est souvent de renforcer le joyeux entêtement de la jeunesse.

Enfant, je lisais les fables d’un écrivain italien, Gianni Rodari. L’une d’elles raconte l’histoire de Giovannino et de la route qui ne mène nulle part. Le héros vivait dans un village où il y avait une route qui ne menait nulle part. Mais curieux et têtu, et malgré ce que tout le monde disait, il voulait aller voir. Il y alla, et bien sûr il trouva un château et une princesse, qui le couvrit de pierres précieuses. Quand il rentra au village, ainsi nanti, tout le monde se précipita vers la route, mais personne n’y trouva plus le moindre trésor. Cette histoire m’était restée à l’esprit. Avec la gravité quantique, j’avais trouvé une route qui, de l’avis général, ne mènerait nulle part. J’y ai trouvé ma princesse et nombre de pierres précieuses.