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L’univers harmonique

par Véronique Brindeau, le 15/04/09

GAPhysicien, docteur en philosophie des sciences, Étienne Klein dirige le Laboratoire de Recherches sur les Sciences de la Matière au Commissariat à l’Énergie Atomique (CEA) de Saclay. Professeur de philosophie des sciences à l’École Centrale, après y avoir longtemps enseigné la physique quantique, il a participé à la conception du grand collisionneur de particules européen de Genève. Etienne Klein est également l’auteur d’une dizaine d’ouvrages de vulgarisation, pour lesquels il a obtenu à plusieurs reprises le prix du meilleur livre scientifique de l’année.
À l’occasion de la création de Hypermusic, prologue, composé par Hèctor Parra sur un livret de la physicienne Lisa Randall, elle-même spécialiste de la « théorie des cordes », Étienne Klein nous présente ici ses réflexions sur les lignes de convergence entre la physique et la musique.

Les physiciens les plus emblématiques du XXe siècle, ceux qu’on appelle les pères fondateurs de la physique quantique – Einstein, Bohr, Dirac, Pauli, Born, de Broglie, Heisenberg – étaient non seulement mélomanes, mais musiciens. De même que la plupart étaient alpinistes… Il ne faut pas en tirer de conclusions trop hâtives. Il y a d’ailleurs une exception à cette règle : Schrödinger. Sa femme jouait du piano, mais, manque de chance pour elle, ce n’était pas du goût de son mari qui refusa d’en voir un dans leur maison. La grande musique l’exaspérait même. Il n’était sensible qu’aux chansons d’amour…

Étaient-ils musiciens parce qu’ils étaient physiciens ? Ou l’étaient-ils parce qu’ils étaient issus de familles elles-mêmes mélomanes ? Je ne saurais dire, mais il y a là quelque chose de remarquable, car la physique, notamment la physique quantique, joue beaucoup avec la notion d’harmonie, et avec celle d’harmoniques. On sait grâce à elle qu’il y a des vibrations dans la matière, et aussi que des rythmes purs, sans masse, sont capables de devenir matière, de s’incarner en des objets massifs (par exemple, un photon peut se transformer en une paire électron-positron). Gaston Bachelard, comprenant cela, a parlé de la matière comme d’une « anarchie de vibrations »1. Et voici comment il décrivait, sublimement, ces imposants blocs de matière que sont les pyramides d’Égypte : « Les Pyramides, dont la fonction est de contempler les siècles monotones, sont des cacophonies interminables. Un enchanteur, chef d’orchestre de la matière, qui mettrait d’accord les rythmes matériels, volatiliserait toutes ces pierres. Cette possibilité d’une explosion purement temporelle, due uniquement à une synchronisation des temps superposés relatifs aux différents éléments, montre bien le caractère fondamental du rythme pour la matière »2.

LA MÉTAPHORE DU SON

La métaphore du son a depuis longtemps été utilisée par les physiciens pour comprendre ces phénomènes liés à la superposition de plusieurs fréquences. La théorie des cordes, qui vise à unifier les différentes théories de la physique, pousse encore plus loin ce lien entre mathématiques, physique et musique. L’idée fondatrice de la théorie des cordes est qu’il n’y a pas mille sortes de particules élémentaires dans l’univers, il n’y en a qu’une. Cette particule ne serait pas un point, mais une corde vibrante dont les différentes harmoniques, c’est-à-dire les différentes vibrations, constituent toutes les particules que nous connaissons, et aussi d’autres que nous ne connaissons pas encore. Par exemple, une corde pourrait vibrer de telle façon qu’elle ressemble à un électron. Si elle vibrait d’une autre façon, elle ressemblerait à un neutrino, d’une troisième façon, ce serait un quark, etc. Donc, toutes les particules qui nous apparaissent comme ontologiquement différentes ne seraient en réalité que les différentes harmoniques d’une seule et même corde vibrant dans un espace-temps élargi, c’est-à-dire ayant plus de quatre dimensions.

Si cette théorie des cordes était « la bonne », ce qui n’est pas du tout prouvé – aucune prédiction en provenance de cette théorie n’ayant pu être testée en laboratoire, il ne s’agit encore que d’une conjecture –, alors on pourrait associer l’univers matériel à une métaphore parfaitement musicale : la matière serait une infinie dispersion rythmique, elle serait intégralement « vibrée ». Il y a un autre aspect intéressant dans cette théorie : nous sommes, nous autres les humains, confinés dans un espace-temps à quatre dimensions – l’espace-temps habituel – ; si nos particules demeurent enfermées dans cet espace réduit, c’est parce qu’elles correspondent à une corde « ouverte », c’est-à-dire non refermée sur elle-même. Ces cordes ouvertes ne peuvent se propager que dans la tranche de l’espace-temps que nous connaissons, c’est-à-dire l’univers observable. Par contre, il existe d’autres cordes qui sont fermées sur elles-mêmes, et qui constituent donc des sortes de boucles : elles peuvent aller dans des dimensions supplémentaires de l’espace-temps. On pense qu’il en existe six. Ces particules sont appelées des gravitons. Tout ce monde est vibrionnant, animé de vibrations. Les cordes peuvent également subir des collisions et produire d’autres cordes de fréquences différentes, etc. C’est une sorte de réduction de l’ontologie du monde physique à des harmoniques quasi musicales, un peu comme si la corde de violon, qui a plusieurs harmoniques selon l’amplitude que l’on donne aux vibrations, était le symbole le mieux adapté pour décrire le monde matériel. D’aucuns pourraient, à partir de là, développer une sorte de « mystique du rythme »

LE VIOLON D’EINSTEIN

Il existe de nombreuses photos d’Einstein le montrant jouant du violon. Quand on les voit ainsi réunis, Einstein (qui a toute sa vie cherché une théorie unificatrice pour décrire ensemble toutes les forces de la nature) et son violon, cela donne une sorte de raccourci saisissant de ce qui constitue et ce que vise la théorie des cordes.

Ce que je trouve également intéressant dans le rapprochement entre physique et musique concerne la traduction, la transmission. Il est très difficile de parler de la physique moderne en n’utilisant que le langage ordinaire, car ce dernier n’est pas adapté aux concepts dont se servent aujourd’hui les physiciens. La « traduction » de la physique ne saurait donc être une simple extradition depuis un certain contexte sémantique vers un autre. En d’autres termes, il ne s’agit pas de transporter la physique telle qu’elle est dans le langage tel qu’il est, de dire ses équations avec des mots ordinaires : une traduction littéraire de la physique ne saurait donc procéder d’une simple traduction littérale. Mise en phrases, n’importe quelle équation de la physique perdrait toute concision et l’essentiel de sa puissance. Dès lors, la seule voie possible consiste à inventer une troisième langue, une langue médiatrice, un langage original capable de porter une différence, de la donner à voir ou à sentir. Or je crois que la musique, sans qu’il faille lui assigner une mission d’emblée pédagogique, a le pouvoir unique de pouvoir « faire entendre » (aux deux sens du verbe entendre) certaines choses que dit la physique.

Je me souviens qu’il y a quelques années, Gérard Grisey avait enregistré les fréquences émises par un pulsar (NDR : Le noir de l’étoile, pour six percussions), puis les avait transposées dans le spectre des fréquences audibles. Il donnait ainsi vie aux « soupirs sortant des choses » dont parle Victor Hugo. C’était une première façon de donner à entendre les sons habituellement cachés de l’univers lointain. Mais il existe une autre voie de rapprochement entre physique et musique, certainement plus difficile, qui consiste à donner à entendre musicalement les formalismes mêmes de la physique. Cette ambition est au cœur du projet de Lisa Randall. La superposition des harmoniques peut être évoquée à l’aide d’instruments de musique, les collisions de particules peuvent également faire l’objet d’une transposition sonore. Peut-être même pourrait-on suggérer l’existence des dimensions supplémentaires de l’espace-temps en habillant la musique produite d’une espèce de halo sonore, saturé de fréquences suraiguës, qui semblerait venu d’ailleurs…

Les physiciens ont longtemps cru que la taille des dimensions supplémentaires ne pouvait être que la plus petite longueur qu’on sache décrire en physique et qui est la « longueur de Planck », voisine de 10-35 mètre. Dans ces conditions, toute manifestation d’un phénomène physique qui se déroulerait dans l’une de ces dimensions semblait largement hors de portée de nos moyens d’observation actuels, y compris des accélérateurs de particules les plus puissants. Le LHC [Large Hadron Collider], qui va prochainement démarrer au CERN à Genève, sondera des distances de l’ordre de 10-19 mètre « seulement ». De telles distances, dix millions de milliards de fois plus grandes que la longueur de Planck, semblent encore beaucoup trop importantes pour qu’on puisse voir se manifester auprès du LHC le moindre effet lié à l’existence des dimensions supplémentaires de l’espace-temps. C’est du moins ce qu’on a longtemps pensé. Car en 1996, coup de tonnerre : les physiciens se convainquent que la taille des dimensions supplémentaires est en réalité un paramètre libre de la théorie et qu’il n’y a donc aucune raison a priori de la fixer égale à la longueur de Planck. Depuis lors, de nombreux théoriciens se passionnent pour l’idée qu’elle pourrait être de l’ordre de 10-18 mètre. S’ils ont raison, alors certains des effets liés aux dimensions supplémentaires de l’espace pourraient être détectés grâce au LHC. Ce serait une découverte extraordinaire ! Après avoir « vu » ces dimensions supplémentaires, le défi sera de les faire entendre.

UNE QUESTION DE LANGAGE

La musique est d’abord un phénomène physique puisqu’elle correspond à l’émission au cours du temps de sons dans l’espace. On dit souvent que la musique « modifie le temps ». Mais c’est sans doute un abus de langage, qui traduit l’ambivalence du langage lorsqu’il évoque le temps. Car d’un côté, notre usage du mot temps en fait une sorte d’être autonome : il existerait par lui-même, indépendamment des choses et des processus ; le temps, désigné par un substantif, serait donc une substance particulière, une substance qui a une nature propre. Mais d’un autre côté, le langage identifie le temps aux phénomènes temporels, et le disperse ou le noie ainsi en de multiples temporalités différentes : il est géologique ici, cosmologique là, ou encore psychologique, long ou court, musical ou vide, cyclique ou linéaire. Il y aurait en somme autant de temps que de temporalités, ce qui conduit à attribuer au mot temps une polysémie fulgurante. Le temps devient ainsi un concept proliférant, qui s’habille de toutes sortes de vêtements empiriques qui lui donnent des allures d’Arlequin. Comme s’il était en somme la même chose que les divers déploiements qu’il rend possible, c’est-à-dire tout à fait dépourvu d’autonomie par rapport aux choses et aux phénomènes. Cette dernière approche n’a pas été retenue par la physique, depuis Newton en tout cas, qui distingue le temps des phénomènes qui s’y déroulent. Cela signifie qu’on ne peut pas jouer sur la variable temps, mais seulement sur les temporalités qu’on y installe, et c’est là le rôle du compositeur : moduler, rythmer, ce qu’on envoie et dispose dans l’espace. Mais on pourrait aussi considérer le contenu de l’espace comme une dimension supplémentaire de l’espace. Et ainsi imaginer que les musiciens émettent dans l’espace-temps à quatre dimensions des éléments qui reflètent la réalité des dimensions supplémentaires. Autrement dit, la richesse topologique de l’espace-temps qu’envisage la théorie des cordes pourrait être mimée par un contenu auditif/spatial, au travers de la superposition d’instruments différents, de rythmes différents, de fréquences différentes.

À PROPOS D’ÉLÉGANCE

Et puis bien sûr, s’agissant de la musique, il y a la question de la beauté, de l’harmonie. On la retrouve en physique. Je dirais même que toute l’histoire de la physique est une sorte de jeu de cache-cache ininterrompu avec la notion d’harmonie. Soit qu’on l’assume pleinement, soit qu’on s’en détourne pour finir par la retrouver. Les physiciens se sont souvent demandés si la beauté d’une théorie mathématique pouvait suffire à garantir sa « véracité physique » et cette question n’a jamais cessé de les diviser. Il y a toujours eu une tension irréductible entre les esprits captivés par le charme des belles théories, et ceux, plus sobres, qui insistent surtout sur les liens que ces mêmes théories peuvent avoir avec la nature. Pour les premiers (en général grands lecteurs de Platon), le Beau et le Vrai sont deux facettes d’une même réalité, de sorte que l’esthétique doit être érigée au rang de principe méthodologique. L’élégance d’une équation demeure à leurs yeux le meilleur gage de son exactitude : dès lors que l’équation est belle, la question de son adéquation à l’expérience n’est plus que de seconde importance. La beauté finit toujours par l’emporter. Pour les seconds, pareille position est devenue impossible à défendre, car l’histoire même de la physique l’a maintes fois démentie. On ne compte plus les « belles » théories physiques qui ont échoué sur de minables petits faits. Et puis la beauté, étant à la fois subjective et soumise à des variations historiques, ne saurait constituer un critère objectif en physique. Des idées trop arrêtées en matière d’esthétique peuvent même induire en erreur. D’ailleurs, l’histoire des sciences révèle plutôt le nomadisme des scientifiques : ils ne fixent jamais définitivement leurs critères esthétiques et se montrent prêts à en changer si cela leur permet de s’engager dans d’autres « styles » de théories, jugées plus prometteuses.

PENSER AVEC LE CORPS

Entendons-nous bien : je ne crois pas du tout que la musique puisse « vulgariser » la physique. Par contre, elle peut faire éprouver par le corps des choses que la physique suggère à sa façon. Car la physique est tellement étrange, par rapport à nos intuitions et nos préjugés, que dès qu’on est mis en situation de sortir de nos émotions et de nos préjugés ordinaires, alors, d’une certaine façon, on se rapproche d’elle. La musique nous fait sortir de nos ritournelles sensorielles, et ce faisant, elle nous met en contact avec l’étrangeté radicale de la physique.

Einstein racontait que certaines de ses grandes idées lui étaient venues par le biais d’expériences corporelles. On pourrait presque dire qu’il pensait avec son corps. Est-ce parce qu’il était musicien ? Là encore, je ne sais pas, mais ce qui est sûr, c’est qu’il se plaçait de lui-même dans des sortes de rêves semi-éveillés pour imaginer de la façon la plus concrète possible ce qui se passerait dans telle ou telle situation qu’une théorie donnée rend concevable. C’est notamment de cette façon qu’il a découvert la piste qui allait le mener, en 1915, à l’élaboration d’une nouvelle théorie de la gravitation qu’on appelle la relativité générale. En mai 1907, alors qu’il travaille au Bureau Fédéral de la propriété intellectuelle de Berne, il eut, raconta-t-il, l’idée « la plus heureuse de sa vie » : « Si une personne est en chute libre, elle ne sentira pas son propre poids. J’en ai été saisi. Cette pensée me fit une grande impression. Elle me poussa vers une nouvelle théorie de la gravitation. »Si cette idée (quand on tombe, on ne sent plus son propre poids)est si troublante, c’est parce qu’elle est à la fois tautologique et énigmatique. Tautologique parce que tomber, c’est céder à son propre poids, et donc l’oublier. Mais la réflexion, voire le sens commun, peut nous conduire à plutôt penser l’inverse : si l’on tombe, si l’on se sent tomber, c’est parce que l’on continue de sentir son propre poids… Einstein, dans une sorte de rêve conscient, s’imagine en train de tomber en chute libre, et il comprend que tous les objets qui l’entourent – son chapeau, son parapluie – tombent comme lui, à la même vitesse que lui, de sorte que pour lui, ils sont comme en apesanteur ! Cela le conduit à une idée géniale, qu’il appellera le « principe d’équivalence » : une accélération peut effacer un champ gravitationnel réel. Au bout de dix années d’un labeur acharné, cette intuition le conduira à une description révolutionnaire de la gravitation : celle-ci n’est plus une force agissant dans l’espace, elle devient une déformation de l’espace-temps lui-même.

Je disais tout à l’heure que nos mots ordinaires sont impuissants à dire la physique, mais je pense que la musique, et plus généralement l’organisation de sons et de rythmes, peut transmettre non seulement des émotions, mais aussi des lueurs de savoirs : une œuvre musicale peut faire « affleurer » des connaissances scientifiques. Certainement pas des savoirs formels, mais des ouvertures vers des connaissances que la vie « normale » ne nous permet pas d’entrevoir.

D’après des propos recueillis par Véronique Brindeau
Extrait d’Accents n° 38
– avril-août 2009

Photo © Joan Braun

1 Gaston Bachelard, La Dialectique de la durée, Quadrige, PUF, 2001, p. 131.
2 Gaston Bachelard, ibid., p. 131.

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