La notion de beauté en science

«Dans l’histoire des sciences, des modèles qui furent proposés en raison même de leur beauté se sont révélés parfois illusoires», écrit l'auteur.
Photomontage: «Argument», numéro printemps-été 2020 «Dans l’histoire des sciences, des modèles qui furent proposés en raison même de leur beauté se sont révélés parfois illusoires», écrit l'auteur.

En raison d’un biais anthropocentrique, nous trouvons souvent belles des formes produites par la nature. La construction du nid de l’abeille domestique, par exemple, avec sa structure hexagonale, émerveille. Cet émerveillement contribue parfois à susciter des vocations scientifiques. Ainsi, c’est la sensation de sublime ressentie lorsque j’étais adolescent en étudiant les belles images de galaxies reproduites dans un atlas qui m’a motivé à entreprendre une carrière en astronomie. Comme m’en ont convaincu des échanges avec des scientifiques de diverses disciplines, une telle émotion esthétique expérimentée durant l’adolescence est à l’origine de maintes carrières.

Cette attirance pour ce qui est beau a-t-elle toutefois un rôle à jouer dans la démarche scientifique ?

Dans son autobiographie, le biologiste britannique Francis Crick, codécouvreur de la structure moléculaire de la molécule ADN, estime que l’impact de cette découverte fut dû en grande partie à la beauté intrinsèque de la double hélice de l’ADN : « It is a molecule that has style… », déclara-t-il. Et en effet, on apprécie cette dimension esthétique lorsqu’on voit les différentes représentations de la molécule ADN, comme un double enroulement élégant de toute une gamme de molécules de phosphates, de sucres et de bases azotées.

Clarifions cependant un point par rapport à ce sentiment esthétique en sciences. Si l’expérience esthétique de l’artiste-peintre ou du musicien implique le plus souvent une émotion dans l’acte de création, le scientifique quant à lui procède différemment : dans sa démarche, il ne doit pas être influencé par des préjugés ou des émotions, qui pourraient le distraire et l’amener à faire des choix subjectifs. Or, il n’est pas pour autant une machine désincarnée et la plupart des scientifiques ont connu, à un moment magique de leur carrière, un tel frisson face à un résultat ou à une découverte. Comme devant des peintures de Johannes Vermeer ou des sculptures de Michel-Ange, j’ai eu la chair de poule durant la nuit en observant le ciel. J’ai raconté un tel évènement dans Les carnets d’un astrophysicien (MultiMondes, 2013) : « Du sommet de Mauna Kea, j’ai vu de spectaculaires tempêtes de météores et d’étoiles filantes, comme les Léonides de novembre 2004. […] Je me souviens d’un bolide en particulier qui traversa la moitié du ciel pour éclater contre la constellation d’Orion, comme si la voûte du ciel se déchaînait pour abattre le personnage mythologique. »

À ce propos, l’astrophysicien indo-américain Subrahmanyan Chandrasekhar, lauréat du prix Nobel de physique en 1983, a écrit un livre intéressant sur cette expérience de la beauté en sciences (Truth and Beauty. Aesthetics and Motivations in Science, University of Chicago Press, 1987). Il a tenté d’expliquer pourquoi on considère qu’une chose est belle en sciences. Il a ainsi posé deux critères. Le premier a pour auteur le philosophe anglais Francis Bacon : « Il n’y a pas de réelle beauté qui n’ait d’étrangeté de proportion. » Le second fut formulé par le physicien allemand Werner Heisenberg : « La beauté est la conformité des parties l’une par rapport à l’autre et au tout. »

La théorie de la relativité générale, qui relie et juxtapose les concepts d’espace et de temps, satisfait pleinement à ces deux critères mis en avant par Chandrasekhar. Que temps et espace deviennent siamois est étrange, et leur fusion produit un tout unifié qui nous fait comprendre que le temps paraît ralentir dans l’espace courbé par les masses. De son côté, la structure en double hélice de l’ADN dont il était question plus haut parait a posteriori d’une surprenante simplicité : elle permet de comprendre comment une combinaison de molécules actionne les multiples processus des organismes vivants, et elle explique brillamment le mécanisme de l’hérédité par la partition de la double chaîne moléculaire et le collage subséquent de ses parties aux segments miroirs provenant d’organismes de la même espèce, mais de sexes différents.

Un tel sentiment esthétique peut cependant se révéler trompeur. Dans l’histoire des sciences, des modèles qui furent proposés en raison même de leur beauté se sont révélés parfois illusoires. Le cas le plus célèbre à cet égard est celui de l’astronome Johannes Kepler. Pour celui-ci, la disposition des planètes ne pouvait pas être irrégulière, « comme si elle résultait du hasard de semailles », puisque « Dieu est toujours géomètre ». Le jeune Kepler proposa par conséquent un étonnant modèle géométrique du système solaire afin d’expliquer la position des planètes autour du Soleil.

Puisant dans le livre XIII de géométrie d’Euclide, il emboîta le tétraèdre, le dodécaèdre, l’icosaèdre et l’octaèdre les uns dans les autres, puis traça des cercles autour d’eux et en obtint six, correspondant aux orbites des six planètes alors connues (Mercure, Vénus, Terre, Mars, Jupiter et Saturne). Malgré son élégance, le modèle de Kepler était faux. Le jeune astronome allemand eut néanmoins le mérite d’appliquer une rigueur géométrique et mathématique nouvelle à la description du positionnement des astres. Ce qui l’amena dans Astronomia Nova (1609) à dériver sa théorie du mouvement orbital des planètes comme étant des ellipses. Or, cette fois-ci, sa description était d’autant plus révolutionnaire qu’elle était exacte et mathématiquement simple.

Ainsi que le prouve cet exemple de Kepler, il faut donc se méfier de la notion de beauté en sciences ; elle peut être un piège. Mais cela ne m’empêche nullement de m’émerveiller devant mes iris fleuris, le colibri furtif ou le tourbillon des cent milliards d’étoiles de la galaxie Messier 51 située à vingt-trois millions d’années-lumière.

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Des Idées en revues

Chaque mardi, Le Devoir offre un espace aux artisans d’un périodique. Cette semaine, nous vous proposons une version abrégée d’un texte paru dans la revue Argument, printemps-été 2020, volume 22, no 2.

7 commentaires
  • Françoise Labelle - Abonnée 15 septembre 2020 07 h 07

    La musique de l'univers

    Merci pour ce beau texte loin de la fureur et du bruit.
    La beauté est aussi la révélation d'un ailleurs. Que ce soit «le tourbillon des cent milliards d’étoiles de la galaxie Messier 51 située à vingt-trois millions d’années-lumière» ou le constat «Que temps et espace deviennent siamois est étrange».

    Le débat Bohr-Einstein sur le monde quantique révèle un monde un monde qui échappe à notre entendement. Qu'un objet ait une probabilité d'existence à divers endroits qui ne se matérialise qu'au moment de l'observation semble relever de la magie. L’intrication quantique (la relation étroite à distance entre des particules ayant interagi) est sans équivalent dans notre monde classique. Reconnaissant l'utilité de la théorie de Bohr, Einstein s'opposait à l'idée que le monde existe par l'observation; qu'on l'observe ou non, le monde a une existence objective pour lui. Il semble que ce ne soit pas le cas dans l'infiniment petit, si on en juge par l'efficacité de la théorie quantique.

    La beauté est aussi dans une théorie algébrique qui se déplie dans la démonstration à partir de quelques axiomes limités. Ça ressemble beaucoup à la musique: une phrase musicale se déploie de façon multiple à partir de principes harmoniques qu'on respecte ou qu'on viole sciemment en les réaffirmant. Einstein aurait dit qu'il aurait été musicien s'il n'avait été mathématicien et qu'il pensait en musique. Le mathématicien Euler a écrit un traité de musicologie.

  • Cyril Dionne - Abonné 15 septembre 2020 10 h 02

    Humanisons les atomes

    Bon. Il faut le dire, en science, on ne doit pas humaniser les atomes. Si la construction d’un nid d’abeille nous apparaît fantastique, il faudrait se rappeler que les formes géométriques parfaites sont les plus solides dans la nature. Idem pour la double hélice de l’ADN et la géométrie d’Euclide.

    Mais, on devrait pousser plus loin son sens d’émerveillement de la nature en étudiant les fractales et de l’alliance inaliénable entre les mathématiques, la nature, l’univers et le cerveau humain. Le hasard entropique n’existe pas dans la nature comme il n’existe pas en science ou dans l’univers. Et pour nous, nous ne sommes qu'une étincelle dans la nuit des temps.

  • Pierre Fortin - Abonné 15 septembre 2020 11 h 39

    Et cette beauté de la science n'a pas de limites


    Je me permets d'ajouter aux sources de beauté que relate Monsieur Roy la fascination de l'inconnu et de tout ce qui reste à expliquer. C'est bien le propre de la science que chaque découverte puisse par elle-même générer de multiples questions nouvelles et pousser plus loin l'intelligence du monde en stimulant la curiosité et l'ingéniosité.

    S'il faut citer un champ d'exploration qui résiste toujours à l'interprétation et qui donne aisément le vertige en confrontant l'intelligence, c'est bien celui, depuis Niels Bohr et Albert Einstein, de l'incompatibilité persistante entre la relativité et la mécanique quantique. Or les nouvelles réalisations dans le domaine de l'intrication quantique pourraient bien permettre de lever d'ici peu un coin de notre voile d'ignorance.

    Il faut bien reconnaître que l'inconnu est une source inépuisable de motivation et de défi pour l'esprit humain, que ce soit pour Vasco de Gama à la recherche de la route des Indes ou pour la fiction dans l'Enterprise du capitaine Kirk en quête de nouveaux mondes. Et peut-être trouvera-t-on bientôt quelque chose à rétorquer à l'affirmation de Niels Bohr : « Quiconque n'est pas choqué par la théorie quantique ne la comprend pas. »

    On peut toujours rêver en attendant ce jour, mais qui n'aime pas les énigmes ?

    • Cyril Dionne - Abonné 15 septembre 2020 21 h 20

      « Et peut-être trouvera-t-on bientôt quelque chose à rétorquer à l'affirmation de Niels Bohr : « Quiconque n'est pas choqué par la théorie quantique ne la comprend pas. »

      D’accord que c’est difficile de concilier avec notre intelligence humaine qui est largement dépassée à partir d’un tel phénomène qui dicte qu’une particule est une particule lorsqu’on regarde, mais agit comme une onde lorsqu’on ne regarder pas. En plus, le modèle d’atomes de Rutherford est faux puisque les électrons qui circulent autour du noyau ne sont pas des particules, mais bien des ondes électromagnétiques, i.e., de la lumière.

      Mais à y penser, Québec solidaire a trouvé la réponse de la quadrature du cercle puisqu’ils supportent les femmes et les minorités sexuelles et en même temps, donne leur appui inconditionnel aux islamo-fascistes qui sont misogynes et homophobes qui emprisonnent ces mêmes femmes et les homosexuels qu’ils jettent du haut des building de 20 étages. On pourrait continuer avec leur plus de services sociaux et moins de taxes, mais je m’égare du sujet.

    • Pierre Fortin - Abonné 16 septembre 2020 11 h 19

      Le modèle atomique de Rutherford n'était pas nécessairement faux, il était plutôt incomplet et imprécis. Mais c'était il y a plus d'un siècle et il faisait avec les moyens de l'époque au moment où naissait la théorie quantique, laquelle a permis d'inclure la dualité onde-corpuscule au modèle atomique, et d'expliquer entre autres les géométries moléculaires à partir de l'orientation des orbitales où il est "probable" de retrouver les électrons autour de leur noyau.

      Mais l'intrication quantique dépasse complètement les modes de pensée classiques. Les Chinois — encore eux ! — ont confirmé il y a peu l'intrication de deux photons à plus de 1 400 km de distance. Déjà que de pouvoir mesurer les caractéristiques de particules individuelles est en soi un exploit, quand on a "touché" à l'un, l'autre a tressailli. Pour dire les choses comme le physicien théoricien Nicolas Gisin, dont je recommande le livre*, « En gros, ce que dit cette drôle de physique quantique est qu'il est possible et même fréquent que deux objets éloignés l'un de l'autre ne forment, en réalité, qu'un seul objet ! C'est cela l'intrication. »

      Il y a de quoi retourner en enfance pour être subjugué devant un tour de magie et c'est bien là la beauté de l'inconnu à découvrir à laquelle je faisais allusion.

      * Nicolas Gisin, L'Impensable hasard, Éd. Odile Jacob

  • Sylvio Le Blanc - Abonné 15 septembre 2020 21 h 33

    M. Jean-René Roy, connaissez-vous le « Monologue des larmes dans la pluie » ?

    Un soliloque célèbre dans le film « Blade Runner », de Ridley Scott, dit par Rutger Hauer :

    « J’ai vu tant de choses que vous, humains, ne pourriez pas croire. De grands navires en feu surgissant de l’épaule d’Orion. J’ai vu des rayons fabuleux, des rayons C, briller dans l’ombre de la porte de Tannhäuser. Tous ces moments se perdront dans l'oubli... comme... les larmes... dans la pluie. Il est temps de mourir. »

    https://fr.wikipedia.org/wiki/Monologue_des_larmes_dans_la_pluie

  • Michel Petiteau - Abonné 16 septembre 2020 09 h 17

    La balance et la lyre

    Victor Hugo: " Au dessus de l'équilibre, il y a l'harmonie. Au dessus de la balance, il y a la lyre. "