Une vue d'artiste de la théorie du multivers en cosmologie quantique. © Shutterstock, Bildagentur Zoonar GmbH

Sciences

Physique : les pouvoirs de Doctor Strange, super-héros de Marvel, sont-ils crédibles ?

ActualitéClassé sous :mécanique quantique , décohérence , Andrei Linde

Les maîtres de la théorie quantique s'interrogent depuis des décennies sur les rapports entre l'esprit et la matière. Leurs spéculations ont été abusivement détournées par les mouvements New Age mais elles peuvent servir à donner un peu de crédibilité aux films fantastiques, comme l'actuel Doctor Strange.

Doctor Strange est sorti sur nos écrans. Comme pour Iron ManAvengers ou Thor, les scénaristes du blockbuster de Marvel ont tenté de donner un vernis de plausibilité scientifique au film. Pour cela, ils se sont tournés vers l'astrophysicien Adam Frank, de l'université de Rochester. Le chercheur est un théoricien, spécialiste de l'hydrodynamique et de la physique des plasmas appliquées à la modélisation sur ordinateur des étoiles. Il s'occupe aussi de vulgarisation scientifique et est l'auteur de plusieurs ouvrages sur ce sujet, ainsi que d'un essai sur les relations possibles entre la science et les grandes questions philosophiques et métaphysiques.

Adam Frank a esquissé dans une interview il y a quelques semaines les grandes lignes du cadre scientifique dans lequel se place le film. Elle n'aura pas surpris ceux qui sont un peu familiers du mysticisme quantique, le vrai, celui qui se limite à des spéculations rationnelles, comme celles de Werner Heisenberg, Wolfgang Pauli et Andrei Linde, et pas celui des courants New Age ou des autres délires pseudo-scientifiques comme les thérapies quantiques (que tous les physiciens compétents comme Claude Aslangul dénoncent avec raison). Les bandes annonces et les extraits de Doctor Strange laissaient déjà entendre, en effet, qu'il était question des rapports entre la physique de la conscience, la cosmologie et le concept de multivers.

Adam Frank, astrophysicien théoricien, se présente comme athée mais pas réductionniste et il pense, tout comme Roger Penrose et le philosophe David Chalmers, que l'on est encore loin de comprendre la physique de la conscience et qu'il s'agit probablement d'une nouvelle physique, en rapport avec la physique quantique, qui nous échappe encore. Au début des années 1970 (mais Niels Bohr et Werner Heisenberg en étaient déjà conscients depuis longtemps), des connexions ont été trouvées entre certaines idées de la philosophie orientale et certaines interprétations de la mécanique quantique, par exemple par le physicien Fritjof Capra dans son livre un peu controversé Le Tao de la physique. Hélas, ces connexions ont ensuite été largement déformées et ont servi à alimenter des sectes et des escroqueries intellectuelles. © Université de Rochester

Le docteur Strange, parti vers l'Orient, trouve le multivers

En tant que conseiller scientifique du film, Adam Frank a été confronté à un problème épineux. Comment justifier les pouvoirs magiques d'un héros présenté comme le Sorcier Suprême dans l'univers de Marvel en utilisant les lois de la physique ? Réponse : en s'appuyant sur l'une des fameuses trois lois d'Arthur Clarke« Toute technologie suffisamment avancée est indiscernable de la magie ». En l'occurrence, les pouvoirs « magiques » du docteur Strange ne seraient que l'exploitation de lois de la physique, très profondes et encore inconnues, qui donneraient à l'esprit le premier rang dans les arcanes de la Nature, et qui permettraient donc de plier la réalité et ses lois apparemment les plus intangibles à la volonté d'un être doué de conscience.

Comment Stephen Strange a-t-il acquis une telle connaissance ? Conformément à l'histoire du personnage, introduit par Stan Lee et surtout Steve Ditko en 1963, il est un brillant neurochirurgien à qui tout a toujours réussi mais qui n'a développé aucune empathie pour ses patients qu'il n'opère qu'en fonction de leur compte en banque. Un accident de voiture va endommager ses mains et le priver de son talent.

Sombrant dans la dépression et perdant son standing et ses amis, Strange va finalement chercher un espoir de guérison en Orient, comme bien des occidentaux en demande de réponses à une crise existentielle et métaphysique profonde qu'ils ne trouvent pas dans la philosophie matérialiste et réductionniste (ce fut le cas d'Oppenheimer et de Schrödinger en particulier). C'est là qu'à la suite d'une quête initiatique menée sous la houlette d'un mystérieux personnage, l'Ancien, il apprendra à se servir des forces occultes de l'univers. Dans cette adaptation cinématographique du comics de Marvel, ce sont les forces et les énergies du multivers.

La bande annonce de Doctor Strange. © Marvel FR

La magie du docteur Strange vient de la gravitation quantique

Pourquoi une telle référence au multivers et quels rapports avec la physique de la conscience ? Adam Frank a donné quelques explications mais elles sont un peu cryptiques. Il est donc nécessaire de les développer.

Un premier élément expliquant les pouvoirs du docteur Strange semble être lié au multivers de la théorie des cordes, ou plus précisément le multivers de type II selon la classification proposée par le cosmologiste Max Tegmark. Les types de matières, de forces et même le nombre de dimensions de l'espace de notre univers observable ne seraient qu'une incarnation parmi toutes celles qu'autoriseraient les lois de la physique quantique jointes à celles de l'espace-temps. Elles auraient donné lieu en particulier à d'autres univers dans des régions éloignées de notre espace-temps. Stephen Strange, via un lien mystérieux entre la physique de la conscience et celle de la gravitation quantique, taperait donc dans le vaste catalogue de lois physiques possibles dans le multivers pour réaliser des prouesses que nous qualifierions de magiques.

Mais pourquoi les lois fondamentales de la théorie des supercordes seraient-elles sous la dépendance de la conscience ? Pour le comprendre, il faut rappeler quelques principes de bases de la théorie quantique.

L'un des pères de la mécanique quantique, le prix Nobel de physique Erwin Schrödinger. Sa mécanique des ondes de matière gouvernées par l'équation portant son nom a permis de comprendre les propriétés des atomes et des molécules. Schrödinger s'est interrogé sur le rôle de la conscience dans l'univers, de ses relations avec la matière, et il avait adopté une position assez proche de la philosophie indienne dite du vedanta. © Cern

La cosmologie quantique et l'influence de la conscience

Imaginez une pièce pour un jeu de pile ou face. Lors d'une expérience, il y a une probabilité P d'obtenir pile, et une autre, F, d'obtenir face, et la somme des deux vaut 1. On peut se représenter la situation avec un cercle de rayon 1 dont le centre est à l'intersection de deux axes, X et Y. Une flèche relie le centre et un point du cercle. Si la flèche coïncide avec l'axe X, on dira par exemple que la probabilité P d'obtenir pile vaut 1. On aurait F=1 si la flèche coïncidait avec l'axe Y (par construction, puisque F+P=1 et que les probabilités sont positives, la flèche ne peut se trouver que sur un quart de cercle). Plus généralement, si la flèche se trouve sur un autre point du cercle, elle indiquera la probabilité de trouver pile ou face lors d'une expérience, en l'occurrence, le jet de pièce.

Toutes les mesures sur un système quantique sont décrites de cette manière pour un observateur, sauf qu'une grandeur physique donnée peut prendre plus de deux valeurs et qu'il faut alors considérer par exemple N probabilités possibles et donc une flèche, un vecteur, avec N composantes. Si on développe l'analogie, la flèche, qui est appelée vecteur d'état, peut bouger dans le temps en obéissant à une équation de mouvement, la célèbre équation de Schrödinger.

Toutefois, pour un système isolé statique, la flèche reste immobile et pour un jeu de pile ou face quantique, la flèche est dans une superposition d'états qui reste fixe tant qu'un observateur ne fait pas une expérience qui force le système et le vecteur d'état à devenir soit pile soit face. Une illustration spectaculaire de ce comportement quantique se trouve dans le paradoxe du fameux chat de Schrödinger, le chat est mort et vivant tant qu'on n'ouvre pas la boîte pour voir dans quel état il est.

Cela a beaucoup intrigué les fondateurs de la physique quantique, car la seule chose qui semblait finalement se passer dans une expérience pour obtenir un résultat physique défini est la prise de conscience par un observateur. John von Neumann et Eugène Wigner sont donc allés jusqu'à proposer que ce soit effectivement cette prise de conscience par un observateur, donc l'influence de l'esprit en dernière analyse, qui provoquerait l'apparition d'un résultat physique bien défini. Il serait cependant aléatoire donc non contrôlable n'en déplaise à ceux qui croient que la physique quantique permet à l'esprit de contrôler la réalité.

Une solution moins exotique a été trouvée, du moins en partie, avec la notion de décohérence. Il n'existe en fait pas vraiment de système isolé et l'influence de l'environnement (par exemple le rayonnement fossile) fait évoluer spontanément un système dans une superposition d'états. De sorte que, finalement, sans l'influence d'un observateur conscient, un seul état, en accord avec la physique classique, finit par apparaître et ce d'autant plus rapidement que le système physique est gros.

Toutefois, la situation se complique en cosmologie. La théorie quantique sépare le monde en deux : l'observateur et le système observé. Mais cela n'est évidemment plus possible pour une description quantique de tout l'univers, en particulier quand il est plus petit qu'un atome, c'est-à-dire au moment du Big Bang. Dans ce cas, où est, en effet, l'observateur de l'univers si ce n'est à l'intérieur de celui-ci ? L'univers n'aurait donc jamais dû quitter un état quantique et rester perpétuellement dans un état fixe sans que son contenu ne change au cours du temps. De fait, les tentatives d'applications de l'équation de Schrödinger en cosmologie quantique débouchent sur une forme de cette équation qui ne dépend pas du temps.

John Wheeler et Andrei Linde se sont donc à nouveau interrogés sur l'influence d'un observateur conscient en cosmologie quantique. Mais d'autres, comme Bryce DeWitt ou Max Tegmark, résolvent le problème en se tournant vers l'interprétation de la mécanique quantique dite des mondes multiples de Hugh Everett dont on peut trouver une présentation dans la BD Le mystère du monde quantique. Dans celle-ci, l'observateur ne joue aucun rôle, il y a autant d'univers que de résultats possibles d'une expérience. Dans le cadre de cette interprétation, il n'y a donc pas la possibilité d'expliquer les pouvoirs du docteur Strange.

L'espace-temps-matière et la physique de l'esprit

La place exacte de la conscience dans la physique et en cosmologie est encore à définir mais on peut sans doute tirer un peu d'inspiration de spéculations déjà faites par Wolfgang Pauli et renouvelées par Andrei Linde dans un chapitre de son fameux livre Particle Physics and Inflationary Cosmology (p. 230-232).

Pauli comparait les relations entre la matière et l'esprit aux relations existant entre les particules chargées (la matière) et le champ électromagnétique (l'esprit dans cette analogie qui n'est aucunement une identité). Il pensait que, tout comme une unification de la matière et du champ électromagnétique serait un jour trouvée, il existe probablement une théorie unifiée de la matière et de l'esprit expliquant clairement leurs interactions. Linde reprend l'analogie en faisant remarquer qu'autrefois on pensait l'espace et le temps comme des réalités indépendantes. La théorie de la relativité restreinte a montré que cela n'est pas vrai. On a pensé ensuite que l'espace-temps et la matière sont également des réalités indépendantes. C'est tout aussi faux comme l'a montré la relativité générale. Mais la courbure de l'espace temps, tout comme le champ électromagnétique et peut-être l'esprit, possèdent un degré de liberté intrinsèque puisque des ondes gravitationnelles peuvent exister toutes seules.

Les théories proposées pour unifier la physique, comme la supergravité de Kaluza-Klein, laissent entendre que l'espace-temps et la matière elle-même devraient être une seule réalité unifiée : la matière-espace-temps. Devant les mystères rencontrés en cosmologie quantique, Linde se demande si l'on n'arrivera pas un jour à la conclusion que la matière-espace-temps et l'esprit ne sont pas finalement différents aspects d'une même réalité physique. On peut peut-être poser la question au docteur Strange...

Cela vous intéressera aussi

Interview : vivons-nous dans un multivers ?  La question des univers multiples est un thème très ancien, puisqu'on la trouve dans la littérature dès l’antiquité. Depuis quelques années, les multivers rejoignent la physique théorique et certains chercheurs sont même convaincus de leur existence. Futura-Sciences a interviewé Aurélien Barrau, astrophysicien spécialisé en cosmologie et auteur du livre Des univers multiples.