Dieu, la matière noire et les chats qui tombent : une conversation avec Frank Wilczek, lauréat du prix Templeton 2022

Frank Wilczek, physicien théoricien et auteur lauréat du prix Nobel, a été annoncé comme le récipiendaire du prix Templeton 2022, d’une valeur de plus de 1,3 million de dollars. Le prix annuel honore ceux “qui exploitent le pouvoir des sciences pour explorer les questions les plus profondes de l’univers et la place et le but de l’humanité en son sein”, selon un communiqué de presse de la Fondation John Templeton. Parmi les anciens récipiendaires figurent des scientifiques tels que Jane Goodall, Marcelo Gleiser et Martin Rees, ainsi que des dirigeants religieux ou politiques tels que Mère Theresa et Desmond Tutu.

Les travaux de Wilczek, lauréat du prix Nobel, remontent au début des années 1970, lorsque lui et deux collègues ont conçu une théorie décrivant le comportement de particules fondamentales appelées quarks, un exploit qui s’est avéré crucial pour établir le modèle standard de la physique des particules. Il a également proposé l’existence de multiples nouvelles particules et entités. Certains, tels que les «cristaux temporels» et les «anyons», ont depuis été découverts et semblent prometteurs pour développer de meilleurs ordinateurs quantiques. Une autre prédiction de Wilczek – l'”axion” – reste non confirmée mais est un candidat de premier plan pour la matière noire, la substance invisible censée constituer la majorité de la masse de l’univers. Il est également un auteur prolifique et, dans ses livres récents, relie son travail de physicien à ses réflexions sur la beauté inhérente de la réalité, affirmant que notre univers incarne les structures les plus élégantes sur le plan mathématique.

Scientifique Américain a parlé avec Wilczek de l’interaction entre la science et la spiritualité, de rapports récents selon lesquels le modèle standard pourrait être «cassé» et de ses dernières recherches concernant la chasse aux particules hypothétiques et la physique des chats qui tombent.

[An edited transcript of the interview follows.]

Félicitations pour avoir reçu le prix Templeton. Que représente ce prix pour vous ?

Mes efforts exploratoires et scientifiques pour répondre à des questions souvent considérées comme philosophiques ou religieuses trouvent un écho. J’en suis très reconnaissant et j’ai commencé à réfléchir à ce que tout cela signifie.

Une sorte d’éveil «spirituel» pour moi a été d’expérimenter comment un dialogue avec la nature est possible – dans lequel la nature «répond» et parfois vous surprend et parfois confirme ce que vous avez imaginé. De vagues espoirs et des concepts qui étaient à l’origine des gribouillis sur papier deviennent des propositions expérimentales et parfois des descriptions réussies du monde.

Vous ne vous identifiez plus à aucune tradition religieuse particulière, mais dans votre livre de 2021 Fondamentaux : dix clés de la réalitévous avez écrit : « En étudiant le fonctionnement du monde, nous étudions le fonctionnement de Dieu, et ainsi apprendre ce qu’est Dieu.” Qu’est-ce que vous entendez par là?

L’utilisation du mot « Dieu » dans la culture commune est très vague. Les gens peuvent signifier des choses complètement différentes par là. Pour moi, le fil conducteur est de voir grand : réfléchir à la façon dont le monde fonctionne, à ce qu’il est, comment il est né et ce que tout cela signifie pour ce que nous devrions faire.

J’ai choisi d’étudier cela en partie pour combler le vide laissé lorsque j’ai réalisé que je ne pouvais plus accepter les dogmes de l’Église catholique qui avaient beaucoup compté pour moi à l’adolescence. Ces dogmes incluent des affirmations sur la façon dont les choses se passent qui sont particulièrement difficiles à concilier avec la science. Mais plus important encore, le monde est un endroit plus grand, plus ancien et plus étranger que le récit tribaliste de la Bible. Il y a certaines affirmations sur l’éthique et les attitudes à l’égard de la communauté que je trouve valables, mais elles ne peuvent pas être considérées comme des déclarations “d’en haut”. Je pense que j’ai maintenant accumulé suffisamment de sagesse et d’expérience de vie pour pouvoir revoir tout cela avec une réelle perspicacité.

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Pouvez-vous me donner des exemples précis de la façon dont la sagesse que vous possédez maintenant, mais que vous n’aviez pas auparavant dans votre carrière scientifique, a influencé votre vision des choses ?

La « complémentarité » signifie que vous ne pouvez pas utiliser une seule image pour répondre à toutes les questions significatives. Vous aurez peut-être besoin de descriptions très différentes, voire de descriptions mutuellement incompréhensibles ou superficiellement contradictoires. Ce concept est absolument nécessaire pour comprendre la mécanique quantique, où, par exemple, vous ne pouvez pas faire de prédictions sur la position et la quantité de mouvement d’un électron simultanément. Lorsque j’ai rencontré pour la première fois les idées de Bohr sur la complémentarité au-delà de la mécanique quantique, je n’ai pas été impressionné. Je pensais que c’était des conneries à la limite. Mais j’en suis venu à réaliser que c’est une sagesse beaucoup plus générale qui favorise la tolérance et l’expansion de l’esprit. Il y a aussi l’attitude scientifique selon laquelle l’ouverture et l’honnêteté permettent aux gens de s’épanouir. Cela augmente l’efficacité des scientifiques d’avoir une sorte de relation amoureuse avec ce qu’ils font parce que le travail peut être frustrant et implique d’investir dans l’apprentissage d’une matière plutôt sèche. Et puis il y a la leçon de beauté : lorsque vous vous permettez d’utiliser votre imagination, le monde vous récompense avec de merveilleux cadeaux.

Vous avez remporté une part du prix Nobel de physique en 2004 pour vos travaux sur la compréhension de la force forte, qui lie les particules subatomiques au sein du noyau atomique. Ce travail fait partie de l’ossature du modèle standard. Mais le modèle standard est bien sûr incomplet car il ne tient pas compte de la gravité ou de la matière noire ou de «l’énergie noire» qui semble alimenter l’expansion accélérée de l’univers. De nombreux physiciens, dont vous-même, pensent par conséquent que nous finirons par trouver des preuves nous permettant de concevoir un successeur ou une extension du modèle standard. En avril, des physiciens du Fermi National Accelerator Laboratory à Batavia, Illinois, ont annoncé qu’ils avaient mesuré que la masse d’une particule élémentaire appelée boson W était significativement plus lourde que prévu par le modèle standard. Est-ce un signe excitant que le règne du modèle standard touche à sa fin ?

Je suis sceptique. C’est un travail impressionnant, mais il s’agit d’une tentative de mesure de haute précision de la masse d’une particule instable qui se désintègre très rapidement de manière exotique. Et parce que le boson W a une durée de vie finie, selon la mécanique quantique, il a une incertitude de masse. Le simple fait que la mesure soit si compliquée soulève un sourcil. Et puis, plus grave encore, c’est que le résultat est non seulement discordant avec les calculs théoriques mais aussi avec les mesures expérimentales précédentes. S’il y avait une hypothèse théorique convaincante suggérant qu’il devrait y avoir cet écart avec la masse du boson W mais aucun autre écart avec tous les autres tests, ce serait fantastique. Mais ce n’est pas le cas. Donc, pour moi, le jury est toujours absent.

L’un de vos plus récents succès a été de prédire l’existence d’un nouvel état quantique de la matière que vous avez surnommé un “cristal temporel” parce que ses particules présentent un comportement répétitif – comme un pendule oscillant – mais sans consommer d’énergie. Comment vous est venue l’idée ?

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Il y a presque 10 ans, je me préparais à donner un cours sur la symétrie, et j’ai pensé : « Pensons à la symétrie cristalline en plus qu’en 3D ; pensons aux cristaux qui sont périodiques dans le temps. Fondamentalement, les cristaux de temps sont des horloges auto-organisées, celles qui ne sont pas construites mais surgissent spontanément parce qu’elles veulent être des horloges. Maintenant, si vous avez des systèmes qui veulent spontanément bouger, cela ressemble dangereusement à une machine à mouvement perpétuel, et cela avait effrayé les physiciens. Mais j’ai reçu plusieurs injections de confiance au cours de ma carrière, donc je n’ai pas eu peur et j’ai sauté là où les anges ont peur de marcher. Au départ, je voulais l’appeler “rupture spontanée de la symétrie de la traduction temporelle”, mais ma femme Betsy Devine a dit : “Qu’est-ce que c’est que ça ?” Ils sont donc devenus des cristaux de temps.

Des cristaux de temps ont maintenant été créés en laboratoire et dans un ordinateur quantique. Comment pourraient-ils être utiles ?

L’application la plus prometteuse consiste à fabriquer de nouvelles et meilleures horloges, plus portables et plus robustes. La fabrication d’horloges précises est une frontière importante en physique; [they are] utilisé dans le GPS, par exemple. Il est également important de créer des horloges compatibles avec la mécanique quantique, car les ordinateurs quantiques auront besoin d’horloges compatibles.

Vous avez l’habitude de trouver des noms accrocheurs. Dans les années 1970, vous avez proposé une nouvelle particule hypothétique que vous avez appelée “axion” – inspirée d’un détergent à lessive – parce que son existence résoudrait un problème technique compliqué dans le fonctionnement de la physique des particules. Depuis, d’autres physiciens ont suggéré que les axions, s’ils existent, ont exactement les bonnes propriétés pour constituer la matière noire. Comment progresse la recherche des axions ?

Les axions sont super excitants. Il était totalement inattendu pour moi au début que la théorie soit parfaitement conçue pour expliquer la matière noire, mais cette possibilité a gagné du terrain. C’est en partie parce que les recherches des autres principaux candidats de la matière noire, les soi-disant WIMP (particules massives à faible interaction), se sont révélées vides, de sorte que les axions semblent meilleurs en comparaison. Et au cours des dernières années, il y a eu des idées vraiment prometteuses pour détecter les axions de la matière noire. J’en ai trouvé un avec les chercheurs de l’Université de Stockholm, Alex Millar et Matt Lawson, qui utilise un “métamatériau” – un matériau qui a été conçu pour traiter la lumière de manière particulière – comme une sorte d'”antenne” pour les axions. La collaboration ALPHA a testé des prototypes, et je suis optimiste, presque confiant, que d’ici cinq à 10 ans, nous aurons des résultats définitifs.

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Et “axion” est maintenant dans le Dictionnaire anglais d’oxford. Lorsque vous êtes dans l’OED, vous savez que vous êtes arrivé.

Vous avez également inventé le nom d’une autre nouvelle particule, le “anyon”. Le modèle standard admet deux types de particules élémentaires : les « fermions » (qui incluent les électrons) et les « bosons » (tels que les photons de la lumière). L’anyon est une troisième catégorie de “quasiparticule” qui émerge à travers le comportement collectif de groupes d’électrons dans certains systèmes quantiques. Vous l’aviez prédit en 1984, mais cela n’a été confirmé que ces dernières années. Quelles sont les dernières nouvelles sur anyons ?

Je pensais qu’il faudrait quelques mois pour vérifier que vous pouviez avoir n’importe qui, mais cela a pris près de 40 ans. Pendant ce temps, il y a eu littéralement des milliers d’articles sur n’importe qui, mais très peu étaient expérimentaux. Les gens ont également réalisé que les anyons pouvaient être utiles comme moyens de stockage d’informations – et que cela pouvait potentiellement être produit à l’échelle industrielle – donnant naissance au domaine de “l’informatique quantique topologique”. Il y a maintenant eu des expériences de prototypes en Chine et des investissements sérieux de Microsoft. Le mois dernier, Microsoft a annoncé qu’ils avaient créé le genre de n’importe qui dont nous avons besoin pour faire décoller sérieusement les applications d’informatique quantique. Ainsi, tous ces milliers d’articles théoriques entrent enfin en contact avec la réalité pratique et même la technologie.

Vous avez clairement le don de proposer des concepts révolutionnaires en physique. Avez-vous d’autres idées révolutionnaires en préparation ?

Oui, mais je ne veux pas leur porter la poisse en les mentionnant ici avec désinvolture ! Je vais vous dire quelque chose d’amusant sur lequel je travaille, cependant : il y a une idée mathématique abstraite appelée « symétrie de jauge » qui sous-tend la physique des particules. C’est un outil puissant, mais c’est un mystère quant à sa raison d’être. Une observation intéressante est que la symétrie de jauge apparaît également dans la description de la mécanique des corps qui sont spongieux et peuvent se propulser. Étonnamment, la symétrie de jauge apparaît lorsque vous essayez de comprendre comment un chat qui tombe d’un arbre peut réussir à atterrir sur ses pattes ou comment les plongeurs évitent les flops du ventre. je m’en suis rendu compte avec [physicist] Al Shapere il y a 30 ans, mais dans des travaux récents je l’ai généralisé dans plusieurs directions. C’est très amusant et cela pourrait s’avérer profond.

Et enfin, quels sont vos espoirs à long terme pour l’avenir de la société ?

Regarder la grande histoire renforce l’optimisme cosmique. J’aime dire que Dieu est un “travail en cours”. Au jour le jour, vous pouvez avoir des retours en arrière – des pandémies, des guerres – mais si vous regardez les tendances générales, elles sont extraordinairement positives. Les choses pourraient mal tourner, avec une guerre nucléaire ou une catastrophe écologique, mais si nous sommes prudents en tant qu’espèce, nous pouvons avoir un avenir vraiment glorieux. Je considère que cela fait partie de ma mission pour le reste de ma vie d’essayer d’orienter les gens vers des avenirs dignes de nos opportunités et de ne pas dérailler.

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