Une théorie scientifique peut-elle être prouvée ?

Si, devant un physicien, il vous arrive de mettre en doute la validité de la Théorie de la Relativité, vous avez de grandes chances de l'entendre vous répondre : "C'est impossible. De nombreux exemples "prouvent" sa validité." Et il vous citera pèle mêle le GPS, la déviation gravitationnelle des rayons lumineux, les accélérateurs de particules, etc.. Il est surprenant que des savants, parfois éminents, tiennent un tel raisonnement car il est contraire aux principes fondamentaux de la démarche scientifique.

Aucune théorie physique, quelle qu'elle soit, ne peut être "prouvée" par le seul fait d'être confirmée par des expériences même très nombreuses. Par contre, il suffit d'une seule expérience contraire pour invalider cette théorie. La conformité d'un phénomène à une Théorie signifie simplement que ce phénomène et la Théorie sont compatibles. Einstein l'avait bien compris lorsqu'il disait que les résultats de Miller, s'ils étaient confirmés, auraient pour résultat de faire s'écrouler la Théorie de la relativité.

Non seulement ce qui précède est conforme au simple bon sens, mais a été prouvé maintes fois dans le passé. Un exemple célèbre est celui du système solaire de Ptolémée. Cette conception permettait de calculer les dates et heures des éclipses de soleil et de lune avec une précision surprenante. De ce fait, on pouvait la considérer comme "prouvée". Il a fallu attendre 14 siècles avant qu'elle soit invalidée par Copernic et Képler.

Mais les mêmes physiciens se trompent une seconde fois, car on peut constater que les phénomènes et les expériences qu'ils citent comme "preuve" de la validité de la Théorie de la Relativité peuvent aussi le plus souvent s'expliquer par des calculs basés sur les lois de la Physique Traditionnelle.

Principe d’équivalence et théories de la relativité:

Le principe d’équivalence, base de la théorie de la relativité générale d’Albert Einstein, n’est qu’une expression particulière d’un des principes fondamentaux de la physique. Ceux-ci avaient été rappelés par Henri Poincaré en 1904 lors de la conférence de Saint Louis:

Le principe de conservation de l’énergie,
Le principe de Carnot,
Le principe de l’égalité de l’action et de la    réaction,
La conservation de la masse,
Le principe de moindre action,
Le principe de relativité formalisé pour la   première fois.

Le principe de relativité affirme en fait l’universalité des lois de la physique, donc leur indépendance de l’observateur. La théorie de la relativité restreinte suppose que les équations de Maxwell décrivent parfaitement les ondes électromagnétiques. Elle cherche à rendre ces équations indépendantes de la vitesse, donc identiques dans deux repères en mouvement relatif uniforme.

Sur cette hypothèse, Poincaré a montré qu’il existe un ensemble unique de formules de passage mettant en correspondance les coordonnées d’espace et de temps de ces deux repères, ensemble qu’il appelé « Transformations de Lorentz ». Cette théorie repose donc sur la validité parfaite des équations de Maxwell.

Selon Poincaré, pour être recevable, une théorie physique devait en plus respecter l’ensemble des autres principes fondamentaux de la physique, contrainte bien souvent escamotée dans les livres scientifiques, et rendue impossible par l’abandon de l’Ether, milieu de propagation des champs.

La relativité générale est l’extension de la théorie précédente aux repères accélérés. Proposée par Einstein, elle se déduit de la précédente par application du principe de relativité rebaptisé principe d’équivalence.

L’histoire scientifique récente a conduit à une confusion importante. Affirmer l’universalité des lois de la physique ne valide pas une solution particulière, construite sur les équations de Maxwell. La théorie de la relativité n’est en fait qu’une théorie possible. Rien ne permet d’exclure l’existence d’autres ensembles théoriques cohérents, rendant compte des mêmes résultats expérimentaux.

Les physiciens présentent comme des preuves de la théorie de la relativité des faits non prévues par les théories acceptées à la fin du dix-neuvième siècle. Analysés plus finement, ceux-ci s’expliquent par application du principe de relativité, sans faire référence aux transformations de Lorentz, aux équations de Maxwell ou à une théorie physique particulière.

Ils ne constituent donc pas, à proprement parler, des preuves de la théorie de la relativité.

La justification de la relativité restreinte :

Pour beaucoup, il serait devenu inutile de présenter des preuves de cette théorie. Les livres de physique citent cependant quelques faits expérimentaux :

L’interféromètre de Michelson : La théorie de la relativité conduit à un déplacement théoriquement nul des franges d’interférence. Toutefois, une analyse complète de cet instrument montre que bien d’autres explications théoriques auraient été possibles et que le calcul de Michelson, présenté dans les livres, est très insuffisant. En particulier, un calcul élémentaire basé sur l’utilisation de l’optique géométrique conduit au même résultat que le recours aux transformations de Lorentz, mais implique une modification des équations de Maxwell, par ailleurs justifiée par certains faits expérimentaux.

La dérive des horloges mobiles : Toujours sur la base de l’optique géométrique, un calcul élémentaire de cette dérive conduit à une valeur identique à celle prédite par la relativité restreinte. Les transformations de Lorentz s’appliqueraient alors en champ lointain, mais pas en champ proche, dans un système optique mobile.

La vitesse des électrons dans les accélérateurs linéaires : La théorie électromagnétique modifiée, précédemment adoptée, conduit à une relation vitesse-énergie des électrons plus proches des résultats expérimentaux publiés par William Bertozzi en 1964 que ceux prédits par la théorie de la relativité.

D’autres « preuves » moins directes sont également avancées, mais n’apportent pas d’éléments radicalement différents.

La justification de la relativité générale :

Les faits expérimentaux avancés comme preuves de la relativité générale sont peu nombreux. On cite le plus souvent les faits suivants :

La déviation gravitationnelle des rayons lumineux : il s’agit d’un phénomène considéré comme la preuve historique de la relativité générale. Là encore, l’application correcte du principe d’équivalence conduit, sans abandonner l’espace euclidien, au calcul exact de cette déviation (Contrairement au résultat erroné d’Einstein en 1911).

La dérive gravitationnelle des horloges : Cette dérive mesurée pour la première fois par J.C. Hafele et R.E. Heating en 1971 est prise en compte dans les systèmes de localisation par satellites. Comme la courbure des rayons lumineux, elle se calcule à partir d’une variation gravitationnelle de la vitesse de la lumière obtenue par application du principe d’équivalence.

D’autres « preuves », le plus souvent tirées d’observations astronomiques sont avancées : dérive du périhélie de Mercure, expansion de l’univers… D’autres explications, tout aussi crédibles, de ces phénomènes peuvent être avancées.

Qui peut affirmer qu’au cours de millions d’années la fréquence d’une onde ne puisse pas être modifiée par un phénomène inobservable à l’échelle humaine ?

Un retour aux principes fondamentaux :

A la suite de Poincaré, admettons donc le principe de relativité, mais sans enfermer la physique dans un carcan mathématique inutile et sans négliger les autres principes de la physique.

Acceptons que certains faits expérimentaux contraires à la théorie de la relativité, mais conformes au principe d’équivalence, nous conduisent à revoir cette théorie qui ne saurait être acceptée comme un dogme et qui pourra toujours être contredite par l’expérience.

En fait, vouloir prouver une théorie scientifique n’a pas de sens. Une théorie nouvelle peut être plus simple, plus précise, rendre compte de davantage de phénomènes. Pour autant, elle ne peut être déclarée juste. En physique, seule l’expérience compte.

Contrairement aux mathématiques dont les théorèmes sont rigoureux, une théorie scientifique pourra toujours être améliorée, ce qui interdit de lui attribuer toute forme de vérité absolue.

Ne mélangeons pas science, philosophie et religion. Le dogme est du domaine religieux. Le concept est du domaine philosophique. La science dit plus modestement « tout se passe comme si ». Elle doit être prête à remettre en cause ses théories lorsqu’un fait l’exige, sans abandonner pour autant les anciennes théories dans leur domaine de validité. 

Pierre Fuerxer