Enfermée dans le courrier d’Albert Einstein, un jour de printemps 1953, se trouvait une lettre d’un mortel ordinaire, un jeune homme de 20 ans ayant abandonné ses études secondaires et nommé John Moffat. Il serait difficile d’imaginer deux correspondants plus disparates. Moffat est un artiste appauvri et un physicien autodidacte. Einstein est une figure mythique, le scientifique le plus célèbre du monde. Moffat vit avec son père britannique et sa mère danoise à Copenhague. Einstein est à l’Institute for Advanced Study de Princeton, dans le New Jersey. Pourtant, les deux hommes sont des outsiders. À la fin de sa vie, Einstein s’était de plus en plus isolé de la communauté des physiciens, refusant d’adhérer à l’étrange mais puissante théorie de la mécanique quantique – avec ses particules qui sont aussi des ondes et qui n’existent en aucun endroit précis tant qu’elles ne sont pas observées. La nature, disait-il, ne pouvait pas être aussi perverse. Ainsi, pendant près de 30 ans, il a poursuivi un objectif chimérique : la création d’une théorie unifiée des champs pour décrire toutes les forces de la nature et démystifier le monde quantique.
C’était l’occasion de la lettre de Moffat. Il pensait pouvoir offrir à Einstein une critique constructive. « Je lui ai écrit pour lui dire que je n’étais pas heureux de ce qu’il faisait », se souvient Moffat. Il n’y a rien d’inhabituel à cela. De nombreuses personnes ont envoyé des lettres à Einstein, pas toutes rationnelles. Mais dans le cas de Moffat, quelque chose d’inattendu s’est produit : Einstein a répondu.
« Cher Monsieur Moffat », commençait la réponse. « Notre situation est la suivante . Nous nous tenons devant une boîte fermée que nous ne pouvons pas ouvrir, et nous nous efforçons de découvrir ce qui s’y trouve et ce qui ne s’y trouve pas. » Cette boîte fermée est l’univers, bien sûr, et personne n’a fait plus que Einstein pour en soulever le couvercle. Pourtant, aux yeux de presque tous ses collègues, il n’avait pratiquement rien apporté d’important à la physique pendant près de 20 ans.
Avaient-ils raison ? A-t-il gaspillé son génie en courant vainement après une théorie ultime ? C’est l’opinion conventionnelle. Mais au moins quelques physiciens soutiennent désormais qu’Einstein était très en avance sur son temps, soulevant des questions qui interpelleront les chercheurs pendant des décennies. « On dit souvent qu’Einstein a perdu son temps plus tard dans sa vie », déclare Moffat, qui est devenu physicien théoricien. « Ceci, bien sûr, est erroné. Einstein n’a jamais perdu son temps. »
La rupture d’Einstein avec la physique dominante est intervenue au sommet de sa carrière. En 1927, alors qu’il avait 48 ans, les plus grands physiciens du monde se sont réunis lors d’une conférence à Bruxelles pour débattre d’une question qui reste controversée à ce jour : Qu’est-ce que la mécanique quantique a à dire sur la réalité ? Einstein avait remporté le prix Nobel de physique pour avoir démontré que la lumière est constituée de particules d’énergie, une recherche qui a jeté les bases de la mécanique quantique. Pourtant, il a rejeté d’emblée la nouvelle théorie. Lors de la conférence, il s’est heurté au grand physicien danois Niels Bohr, lançant une querelle qui durera jusqu’à la mort d’Einstein en 1955.
Bohr s’est fait le champion des nouvelles connaissances étranges émergeant de la mécanique quantique. Il croyait que toute particule unique – qu’il s’agisse d’un électron, d’un proton ou d’un photon – n’occupe jamais une position définie à moins que quelqu’un ne la mesure. Selon Bohr, tant que l’on n’observe pas une particule, il est absurde de se demander où elle se trouve : Elle n’a pas de position concrète et n’existe que comme un flou de probabilité.
Einstein se moquait de cela. Il croyait, avec emphase, en un univers qui existe complètement indépendamment de l’observation humaine. Toutes les propriétés étranges de la théorie quantique sont la preuve que la théorie est défectueuse, disait-il. Une meilleure théorie, plus fondamentale, éliminerait de telles absurdités. « Croyez-vous vraiment que la lune n’est pas là à moins que nous la regardions ? » a-t-il demandé.
« Il a vu d’une certaine manière plus clairement que quiconque ce qu’était réellement la mécanique quantique », déclare le physicien britannique Julian Barbour. « Et il a dit : ‘Je n’aime pas ça’. » Dans les années qui ont suivi la conférence de Bruxelles, Einstein a lancé une attaque après l’autre contre Bohr et ses partisans. Mais pour chaque attaque, Bohr avait une riposte toute prête. Puis en 1935, Einstein conçoit ce qu’il pense être le coup fatal. Avec deux collègues de Princeton, Nathan Rosen et Boris Podolsky, il a trouvé ce qui semblait être une grave incohérence dans l’une des pierres angulaires de la théorie quantique, le principe d’incertitude.
Formulé en 1927 par le physicien allemand Werner Heisenberg, le principe d’incertitude pose des limites strictes à la précision avec laquelle on peut mesurer la position, la vitesse, l’énergie et d’autres propriétés d’une particule. Selon Heisenberg, l’acte même d’observer une particule la perturbe également. Si un physicien mesure la position d’une particule, par exemple, il perdra également des informations sur sa vitesse dans le processus.
Einstein, Podolsky et Rosen ne sont pas d’accord, et ils ont proposé une expérience de pensée simple pour expliquer pourquoi : Imaginez qu’une particule se désintègre en deux particules plus petites de masse égale et que ces deux particules filles s’envolent dans des directions opposées. Pour conserver la quantité de mouvement, les deux particules doivent avoir une vitesse identique. Si vous mesurez la vitesse ou la position d’une particule, vous connaîtrez la vitesse ou la position de l’autre – et vous le saurez sans perturber la deuxième particule d’aucune façon. La deuxième particule, en d’autres termes, peut être mesurée précisément à tout moment.
Einstein et ses collaborateurs ont publié leur expérience de pensée en 1935, sous le titre « La description quantique-mécanique de la réalité physique peut-elle être considérée comme complète ? » Cet article a été à bien des égards le chant du cygne d’Einstein : Rien de ce qu’il a écrit jusqu’à la fin de sa vie n’a pu égaler son impact. Si sa critique était juste, la mécanique quantique était intrinsèquement défectueuse.
Bohr a fait valoir que l’expérience de pensée d’Einstein n’avait aucun sens : Si la seconde particule n’était jamais mesurée directement, il était inutile de parler de ses propriétés avant ou après la mesure de la première particule. Mais bien que la physique quantique ait fini par s’imposer, ce n’est qu’en 1982, lorsque le physicien français Alain Aspect a construit une expérience fonctionnelle basée sur les idées d’Einstein, que l’argument de Bohr a été justifié. En 1935, Einstein était convaincu d’avoir réfuté la mécanique quantique. Et à partir de ce moment-là et jusqu’à sa mort 20 ans plus tard, il a consacré presque tous ses efforts à la recherche d’une théorie unifiée des champs.
Le travail d’Einstein n’était pas sans promesses, au début. Il tentait d’unifier la force de gravité – qu’il avait réussi à décrire dans sa théorie générale de la relativité – avec la force de l’électromagnétisme, et les deux forces sont similaires à bien des égards. La force des deux, par exemple, est inversement proportionnelle au carré de la distance entre deux corps, et les deux ont une portée infinie. Einstein n’était pas le seul à être convaincu qu’il pouvait résoudre le problème. En 1919, le mathématicien allemand Theodor Kaluza et, plus tard, le physicien suédois Oskar Klein avaient suggéré une autre façon de joindre les deux forces. Tout comme Einstein avait introduit une quatrième dimension dans ses équations de la relativité générale pour décrire la gravité, Kaluza et Klein ont suggéré qu’une cinquième dimension était nécessaire pour intégrer l’électromagnétisme.
Einstein a passé les deux dernières décennies de sa vie à affiner cette idée. En même temps, il a essayé d’aplanir ce qu’il considérait comme des problèmes dans sa théorie générale de la relativité. Dans les cas où la gravité était extrêmement forte, ses théories s’effondraient. De plus, elles semblaient permettre la formation de ce que nous appelons aujourd’hui des trous noirs – des objets d’une densité si énorme que leur gravité piège même la lumière. « Einstein n’aimait pas les trous noirs », dit Moffat. « La véritable motivation de la généralisation de sa théorie de la gravité était de voir s’il pouvait trouver, comme il les appelait, des « solutions partout régulières » qui correspondent aux équations. » De telles solutions, espérait Einstein, élimineraient entièrement les trous noirs.
En 1939, le physicien J. Robert Oppenheimer a utilisé la relativité générale pour montrer en détail comment les trous noirs pouvaient se former à partir d’étoiles en effondrement. Pourtant, Einstein n’était pas découragé. Tout au long des années 1940, il poursuit sa recherche infructueuse d’une nouvelle théorie révolutionnaire, alors même que la mécanique quantique progresse à une vitesse fulgurante. « Il était dans le déni », dit Moffat. « Même Einstein était dans le déni, parce qu’il avait investi tellement de temps là-dedans pendant des années ! ». Vers la fin de sa vie, Einstein a réalisé qu’il ne vivrait pas assez longtemps pour achever son œuvre. « Je me suis enfermé dans des problèmes scientifiques assez désespérés », a-t-il écrit, « d’autant plus que, en tant qu’homme âgé, je suis resté éloigné de la société d’ici. »
Lorsque Moffat a lu pour la première fois les travaux ultérieurs d’Einstein en 1953, il ne les a pas rejetés comme beaucoup de physiciens. Mais Moffat n’était pas physicien à l’époque. Jeune homme de 20 ans au chômage à Copenhague, il s’était intéressé à la cosmologie en parcourant la bibliothèque pendant son temps libre. À sa grande surprise, il a découvert qu’il pouvait facilement assimiler les mathématiques et la physique avancées des livres et magazines de vulgarisation scientifique. En un an environ, il a parcouru l’équivalent de quatre années de cours de niveau universitaire, puis il est passé aux revues professionnelles de physique. « J’ai mis la main sur certains des articles d’Einstein et j’ai décidé qu’il y avait une certaine faiblesse dans ce qu’il faisait », dit-il. « J’ai donc écrit deux articles et les lui ai envoyés à Princeton. Je n’ai jamais pensé que j’entendrais quelque chose de lui. »
Moffat avait identifié une hypothèse erronée dans les mathématiques qu’Einstein utilisait pour décrire la force électromagnétique. Einstein a concédé que Moffat avait raison. Ils ont ensuite échangé plusieurs lettres au cours des six mois suivants, incitant Moffat à poursuivre une carrière en physique. Bien qu’il n’ait pas de formation officielle dans ce domaine, Moffat sait que les lettres d’Einstein pourraient lui valoir une audience auprès d’autres physiciens. Il a donc contacté le secrétaire de Niels Bohr à l’université de Copenhague et lui a parlé des lettres. Bohr accepte volontiers de le rencontrer. « Einstein me confiait ses problèmes de physique », raconte Moffat, « et Bohr voulait savoir ce qu’il disait. »
Pendant les deux heures d’entretien qui suivirent, Bohr marmonnait si doucement que Moffat devait faire des efforts pour l’entendre. Bohr avait espéré entendre parler d’un changement d’avis de la part de son rival, mais les lettres de Moffat l’ont déçu : Einstein était toujours ouvertement sceptique à l’égard de la mécanique quantique. « Finalement, Bohr a dit qu’en ce qui le concernait, Albert était devenu un alchimiste », se souvient Moffat. Dans sa quête d’une théorie transcendante, Einstein avait perdu le contact avec le monde de l’expérimentation et s’était égaré dans le domaine de la métaphysique. « Il pensait qu’Einstein perdait son temps », dit Moffat. « Et il m’a dit que je perdais mon temps avec mon intérêt pour les idées d’Einstein. »
Cela ne s’est pas arrêté là. Un journal local a ensuite publié un article sur les rencontres de Moffat avec Einstein et Bohr, et cet article a incité le consulat britannique de Copenhague à contacter le département de la recherche scientifique et industrielle de Londres. Le département a fait venir Moffat à Londres et a payé son trajet jusqu’à l’Institute for Advanced Studies de Dublin, pour un entretien avec Erwin Schrödinger.
Polymathe qui parlait six langues, Schrödinger était surtout célèbre pour l’équation d’onde qui porte désormais son nom – une élégante description mathématique de l’un des mystères centraux de la théorie quantique – qui montre que toutes les particules peuvent aussi se comporter comme des ondes. Lorsque Moffat arrive pour une visite de deux jours, Schrödinger est alité et souffre d’une grave bronchite. Au cours de leur entretien, le grand physicien observe son jeune visiteur à travers des lunettes rondes sans monture. Moffat savait qu’il n’hésiterait pas à le rejeter comme un imposteur et à le renvoyer à une vie d’obscurité au Danemark. Une fois de plus, cependant, les choses se sont déroulées sans problème jusqu’à ce que Moffat mentionne son intérêt pour les travaux d’Einstein.
« Il s’est mis très en colère », se souvient Moffat. « Il a commencé à me crier dessus depuis son lit. Il a dit qu’Einstein était un imbécile. J’étais assez bouleversé. » Ce qui a le plus enragé Schrödinger, c’est qu’il avait lui aussi, une décennie plus tôt, tenté de développer une théorie unifiée avec une approche très similaire à celle d’Einstein. Il était devenu de plus en plus sceptique quant à la possibilité même d’une théorie unifiée des champs. Mais Einstein, en tout cas, se dirigeait dans la mauvaise direction.
Moffat a été accepté dans le programme d’études supérieures en physique mathématique et théorique de l’Université de Cambridge, en partie grâce à une recommandation étonnamment forte de Schrödinger. En 1958, Moffat est devenu le premier étudiant dans les 800 ans d’histoire de l’école à obtenir son doctorat sans avoir complété un diplôme de premier cycle. Il travaille aujourd’hui à l’Institut Perimeter, près de Toronto – un vétéran iconoclaste parmi certains des jeunes physiciens les plus brillants et les plus audacieux du monde. S’il a d’abord été attiré par Einstein en raison de ses erreurs, il en est venu à croire que le vieil homme était peut-être sur la bonne voie après tout. Il a simplement commencé à la descendre quelques décennies trop tôt.
Dans les années 1930, lorsqu’Einstein a commencé ses travaux sur une théorie unifiée des champs, les physiciens pensaient qu’il n’y avait que deux forces universelles que la théorie devait unir : la gravité et l’électromagnétisme. Ils ont depuis appris qu’il existe également deux autres forces fondamentales, une force forte qui lie les noyaux atomiques et une force faible qui régit la désintégration radioactive. « Einstein a défini ce qui est devenu plus tard un problème fondamental de la physique », explique Carlo Rovelli, physicien théoricien à l’université de la Méditerranée à Marseille, en France. « Mais il lui manquait un ingrédient. »
De nos jours, la quête autrefois solitaire d’Einstein mobilise des milliers de physiciens dans le monde, la plupart d’entre eux travaillant sur un cadre physique ambitieux connu sous le nom de théorie des cordes. Bien que ce travail soit fondé sur la mécanique quantique, il s’appuie fortement sur certains des composants utilisés par Einstein. Selon la théorie des cordes, les constituants fondamentaux du monde physique ne sont pas des particules ponctuelles, mais des boucles unidimensionnelles infinitésimales, ou cordes. Toutes les particules et les forces de l’univers proviennent de ces cordes qui vibrent à des fréquences différentes. Mais il y a un hic, qui aurait sans doute fait sourire Einstein : Les cordes ont besoin de 11 dimensions pour vibrer, et ces dimensions supplémentaires sont décrites par essentiellement les mêmes mathématiques qu’Einstein a utilisées dans sa propre théorie des champs unifiés.
Moffat n’est pas si sûr que la théorie des cordes soit une amélioration des idées d’Einstein. En revanche, il pense qu’il peut encore y avoir de la vie dans les dernières équations du maître. Pendant la majeure partie de la dernière décennie, il est revenu à la théorie sur laquelle Einstein travaillait à sa mort, celle-là même qui a suscité la lettre fatidique de Moffat. Ce dernier affirme que les mathématiques qu’Einstein espérait voir décrire l’électromagnétisme dans sa théorie des champs unifiés donnent plutôt lieu à une légère force répulsive qui réduit la force de la gravité. Si tel est le cas, cette force pourrait aider à résoudre certaines énigmes de longue date en astronomie.
À deux mille années-lumière de la Terre, par exemple, deux jeunes étoiles bleues dans un système appelé DI Herculis tourbillonnent l’une autour de l’autre tous les 101/2 jours. Leurs trajectoires se déplacent légèrement d’une orbite à l’autre – un phénomène connu sous le nom de précession – mais lorsque les astronomes utilisent la relativité générale pour prédire l’ampleur de ce déplacement, leurs réponses sont décalées d’un facteur quatre. La plupart des astronomes pensent qu’une troisième étoile, non encore observée, perturbe l’orbite. Moffat a une interprétation différente. Dans sa version modifiée de la dernière théorie d’Einstein, l’attraction gravitationnelle entre les deux étoiles est affaiblie juste assez pour ralentir un peu les orbites des étoiles. Par ses nouveaux calculs, la précession prédite s’accorde presque exactement avec les observations.
Il n’y a pas de petite ironie historique dans tout cela. L’un des premiers tests rigoureux de la relativité générale a été une observation de la précession de l’orbite de Mercure autour du soleil. Avant Einstein, la plupart des astronomes supposaient, comme pour DI Herculis, qu’un troisième corps rendrait l’orbite conforme aux équations de Newton. Certains prétendaient même avoir observé la planète mystère et l’avaient nommée Vulcain. La théorie générale de la relativité d’Einstein a rendu cette troisième planète inutile.
La troisième étoile de DI Herculis pourrait-elle s’avérer aussi illusoire que Vulcain ? Si c’est le cas, ce serait une très grande nouvelle. Moffat prétend que sa théorie éliminerait également le besoin de matière noire et d’énergie noire – deux phénomènes, encore non détectés, que les physiciens ont invoqués pour expliquer les mouvements des galaxies et l’expansion de l’univers. C’est un long tir, dit Moffat, mais la dernière théorie d’Einstein a peut-être encore un peu de vie.
Un jour, lors d’un déjeuner dans un bistrot près du bureau de Moffat, je lui ai demandé si nous reverrons un jour un physicien comme Einstein. Il a secoué la tête. « Si vous allez visiter la cathédrale de Chartres en France, vous vous rendrez compte qu’il a fallu 150 ans pour la construire, et nous ne connaissons pas les noms des artisans qui l’ont construite. Ils sont anonymes. Peut-être que la physique va devenir comme ça. Nous aurons peut-être un jour un grand édifice pour la civilisation occidentale, mais il faudra peut-être 200 ans pour le construire. » Prétendre qu’il existe une théorie ultime est « de la pure hubris », a déclaré Moffat. « Il y a toujours quelque chose de nouveau à l’horizon, et ensuite tout recommence. »
Einstein a été la première victime de son propre succès, aime dire à ses étudiants Giovanni Amelino-Camelia, physicien à l’université de Rome. Il a donné naissance à la notion romantique selon laquelle un génie qui suit son intuition peut créer une théorie parfaite qui explique toutes les données. Et puis, il est devenu lui-même la proie de cette notion. « C’est un succès qui a vraiment été une bénédiction mitigée pour la physique théorique », dit Amelino-Camelia. « Si nous n’avions pas ce seul exemple, nous n’aurions aucun exemple. Et cela apprendrait aux gens comment la science est vraiment faite. »
Il était pourtant une fois Einstein qui a révolutionné la physique, et il a réussi en grande partie grâce à son esprit têtu, indépendant et audacieux. La théorie générale de la relativité a été développée au mépris de siècles de physique. Elle a accaparé Einstein pendant 11 ans – de 1905 à 1916 – et s’est finalement avérée triomphalement correcte. Il n’est pas étonnant que le souvenir de cet exploit l’ait soutenu dans les années qui ont suivi. En 1953, lorsque la lettre de John Moffat a trouvé son chemin jusqu’à Princeton, Einstein faisait encore ce qu’il avait toujours fait – poser de grandes questions et chercher de grandes réponses.
Au déjeuner ce jour-là dans l’Ontario, Moffat a dit qu’il avait encore une lettre d’Einstein à me montrer. Il a fouillé dans un dossier, en a sorti une copie et a pointé la date : 25 mai 1953. Puis il a lu les mots qui l’ont guidé pendant plus d’un demi-siècle : « Chaque individu… doit conserver sa façon de penser s’il ne veut pas se perdre dans le labyrinthe des possibilités. Cependant, personne n’est sûr d’avoir pris le bon chemin, moi le moins. »