Книга: Eddington A S «Report On The Relativity Theory Of Gravitation The Physical Society Of London»

EDDINGTON (A. S.)

Arthur Stanley Eddington fut le principal artisan de la théorie moderne des étoiles; il appartint aussi à la première génération des grands théoriciens de la relativité. Il s’engagea plus tard dans une entreprise originale et audacieuse, tendant à reconstruire mathématiquement, sur la base de principes épistémologiques, la structure du monde physique; il ne vint pas à bout de cette tâche. Parallèlement, il écrivit des essais d’analyse philosophique dans lesquels se développent des vues pénétrantes sur la science contemporaine et s’affirme l’intention d’associer l’esprit de cette science à la défense de certaines valeurs traditionnelles du spiritualisme.

Une vie sans histoire

Arthur Stanley Eddington naît le 28 décembre 1882, à Kendal, dans le nord-ouest de l’Angleterre, où son père, Arthur Henry, est directeur d’une école secondaire réputée. Sa mère, Sarah Ann, née Shout, devenue veuve deux ans après, s’en va vivre, avec son fils et sa fille Winifred, à Weston-super-Mare, dans le Somerset, contrée d’origine des Eddington. Le père et la mère du futur savant appartenaient l’un et l’autre à des familles traditionnellement affiliées à la secte des quakers (l’un des ancêtres de Sarah Shout avait même participé, deux siècles auparavant, à la fondation de la secte). Arthur Stanley ne renie pas cet héritage: il devient lui-même et restera, sa vie durant, un membre actif de la société des Amis, suivant régulièrement ses pratiques, professant un christianisme ouvert et sans dogmatisme, et des principes de fraternité, de tolérance, de libéralisme et de pacifisme.

Il est un brillant élève de toutes les écoles qu’il fréquente, à Weston-super-Mare d’abord, puis à Manchester, et enfin au Trinity College de Cambridge, où il accomplit, en 1904, le rare exploit de se classer en tête – senior wrangler – au tripos de mathématiques, après seulement deux ans d’études. En 1906, ses études terminées, il entre dans la carrière astronomique comme chief assistant à l’observatoire de Greenwich; les élections générales de 1906 lui offrent l’occasion d’affirmer et d’afficher ses opinions libérales. En 1913, à trente et un ans, il est professeur d’astronomie à l’université de Cambridge et, l’année suivante, directeur de l’observatoire de cette université. Il peut alors faire venir sa mère et sa sœur, qui s’installent définitivement près de lui; sa mère vécut jusqu’en 1924, Winifred survécut dix ans à son frère.

La guerre a peu d’influence sur sa vie personnelle. Il est résolu à refuser le service armé, mais il n’y est contraint qu’en 1918. Devant le tribunal, ses collègues appelés à témoigner font valoir que le Royaume a besoin d’un tel champion pour rivaliser dans l’arène de la science avec un Allemand nommé Einstein. Mis en sursis, Eddington peut l’année suivante, dès la paix revenue, transformer la rivalité en collaboration; à l’occasion d’une éclipse de Soleil, il va lui-même vérifier, à l’île du Prince, dans le golfe de Guinée, et avec un plein succès, les prévisions de la théorie de la relativité sur le comportement de la lumière dans un champ de gravitation. Cela reste l’épisode le plus célèbre de la vie d’Eddington.

Désormais, à part d’assez nombreux voyages à l’étranger, à l’occasion de congrès, conférences et missions diverses, rien d’important ne vient déranger le cours d’une vie assez solitaire, presque entièrement vouée à la recherche, principalement agrémentée par de longues randonnées à bicyclette. Anobli en 1930, Eddington accueille cet honneur avec plaisir mais sans affectation. Tombé assez brusquement malade dans l’été de 1944, il doit subir une opération chirurgicale, à laquelle il ne survit que peu de temps, jusqu’au 22 novembre 1944; il n’a pas tout à fait soixante-deux ans.

Les circonstances de la vie personnelle d’Eddington n’ont eu apparemment aucune incidence sur sa carrière scientifique, le seul élément de quelque importance étant probablement sa fidélité indéfectible aux quakers, associée à des engagements religieux et éthiques dont la trace est visible dans ses écrits philosophiques.

L’étude des étoiles

Dès la fin de ses études, Eddington s’engage dans la recherche astrophysique ; ses premiers travaux le montrent attiré par les horizons lointains; ses recherches portent en effet sur la structure des systèmes stellaires, la distribution statistique des étoiles suivant leurs types spectraux, leurs mouvements propres et leurs vitesses radiales. Dès ce moment, il rencontre l’opposition de James Jeans qui fut, sa vie durant, son plus obstiné contradicteur. Les résultats de ces premières recherches sont rassemblés dans Stellar Movements and the Structure of the Universe (1914), ouvrage dans lequel, en particulier, Eddington prend parti pour l’hypothèse des «univers-îles», suivant laquelle les nébuleuses sont des galaxies, et qui ne devait s’avérer que dix ans plus tard.

C’est en 1916 qu’Eddington entreprend les recherches théoriques sur la constitution interne des étoiles dont l’éclatant succès devait lui apporter la célébrité. Il s’engage résolument sur une voie nouvelle, en appliquant à la totalité de l’étoile l’hypothèse de l’équilibre radiatif, déjà utilisée par Karl Schwarzschild dans la théorie des atmosphères stellaires; la structure de l’étoile dépend alors du concours de trois forces: la gravité, la pression gazeuse et la pression de radiation. La théorie est d’abord limitée aux étoiles géantes; après avoir établi en 1924 sa désormais fameuse relation masse-luminosité, Eddington étend sa théorie aux naines, en tenant compte du fait que l’ionisation de la matière stellaire peut la maintenir dans un état voisin de celui des gaz parfaits jusqu’à des densités élevées.

L’observation ne tarde pas à décider de la validité de cette théorie, suffisamment précise pour entraîner des conséquences inattendues et surprenantes; outre qu’elle assigne une borne supérieure assez peu élevée à la masse des étoiles (quelques dizaines de masses solaires), elle implique, pour certaines étoiles, de très grands diamètres, accessibles aux méthodes interférométriques, prévision confirmée sur Bételgeuse dès 1920. Eddington déduit aussi pour les étoiles naines blanches des densités énormes – «absurdes» pensent certains –, de l’ordre de 50 000; la théorie de la relativité pouvait sur ce point venir à l’appui des déductions astrophysiques. À la demande expresse d’Eddington, Walter S. Adams établit, à l’observatoire du mont Wilson, que la lumière du compagnon de Sirius présente bien un «effet Einstein» de décalage spectral vers le rouge compatible avec les calculs d’Eddington. Tous ces résultats sont réunis en 1926 dans The Internal Constitution of the Stars , ouvrage qui marque l’apogée de la carrière d’Eddington comme astrophysicien.

Les théories relativistes

Mais ces découvertes ne sont pas seules à contribuer à la célébrité d’Eddington; il est aussi devenu l’un des plus notables parmi les théoriciens de la relativité, encore peu nombreux à l’époque. Tenu au courant dès 1916, par l’astronome hollandais Willem de Sitter, des plus récents mémoires d’Einstein, Eddington en mesure aussitôt la portée et il devient en quelques mois un défenseur et un promoteur de la théorie de la relativité, dont il donne en 1918, dans son Report on the Relativity Theory of Gravitation , le premier exposé complet en langue anglaise. En 1919, il réalise la première vérification de la déviation relativiste des rayons lumineux par les masses. Or, en 1920, dans Space, Time and Gravitation , ouvrage destiné au grand public, on voit déjà que la relativité est, pour Eddington, plus qu’une théorie physique, l’assise positive d’une philosophie de la nature et de la science. La Mathematical Theory of Relativity , publiée en 1923, un des chefs-d’œuvre, selon Einstein lui-même, de la littérature relativiste «classique», est aussi une œuvre originale où s’annoncent les conceptions philosophiques qu’Eddington développera plus tard, et les idées directrices de ses dernières œuvres de physique théorique.

À partir de 1927 se produit dans la carrière intellectuelle d’Eddington une inflexion décisive: de plus en plus attiré par la réflexion philosophique, il y est aussi incité par sa réputation de savant original et créateur, invité à présenter plusieurs séries de lectures dans diverses universités, sur des sujets généraux; il en publiera les textes de 1928 à 1939 dans une suite d’ouvrages où s’élabore au fil des ans une véritable philosophie, dont, à cette époque, divers événements du monde scientifique contribuent à déterminer les éléments et l’orientation; en 1927, le mathématicien belge Georges Lemaître construit un modèle relativiste d’Univers fini; il démontre que le red shift , déjà bien observé, des nébuleuses, manifeste une propriété géométrique structurale. La mécanique quantique a d’autre part pris son essor et s’engage irréversiblement dans des voies nouvelles. Parmi les promoteurs de cette physique inconnue, son jeune compatriote Paul Dirac intéresse particulièrement Eddington parce qu’il fait usage d’un formalisme algébrique original, qui s’éloigne des intuitions géométriques sur lesquelles se fondait la science classique, et parce qu’il s’avance plus loin que les autres dans la voie d’une synthèse théorique entre la nouvelle mécanique et la relativité. Ces évolutions simultanées de la cosmologie et de la physique subatomique, bien qu’appartenant à des domaines très éloignés de la science positive, se rejoignent cependant dans l’esprit d’Eddington pour l’encourager à entreprendre la recherche qui l’occupera presque exclusivement pendant les dix dernières années de sa vie.

Il va tenter de réunir en un système physico-mathématique unique fondé sur des principes épistémologiques (les conditions nécessaires des opérations de mesure des phénomènes observés dans un cadre spatio-temporel) l’ensemble du savoir acquis par la physique fondamentale, depuis les particules élémentaires jusqu’à la totalité de l’Univers. La première tâche à laquelle il s’attachera et sur laquelle il reviendra sans cesse sera de mettre en évidence le caractère fondamental de certaines constantes numériques dont il pense qu’elles ne sont qu’en apparence d’origine expérimentale. Ce projet, bientôt jugé fascinant par les uns, délirant par les autres, se réalisera progressivement, à travers toutes sortes de détours et d’inflexions, dans divers mémoires et ouvrages, entre la Relativity Theory of Protons and Electrons , publiée en 1936, et la Fundamental Theory , publiée en 1946, deux ans après la mort de l’auteur. Il est impossible, aujourd’hui, de nier l’échec de l’entreprise sur le plan où son auteur voulait la situer, malgré quelques tentatives pour la relancer et bien que de nombreuses idées ébauchées dans ces ouvrages aient été retrouvées et développées ultérieurement, et indépendamment, dans d’autres contextes.

Au reste, cette issue décevante de l’entreprise eddingtonienne modifie l’ordre des intérêts relatifs qu’Eddington lui-même attribuait aux deux domaines principaux de sa recherche, l’analyse philosophique et la théorie physique; la première n’était certainement pour lui qu’une efflorescence de la seconde. Pour nous, la seconde, telle qu’Eddington voulait la reconstruire, est intéressante surtout dans la mesure où elle s’appuie sur une tentative pour exprimer mathématiquement les idées élaborées par la première.

Le système eddingtonien

La philosophie d’Eddington, sous des apparences assez déconcertantes et à travers une présentation peu systématique, s’ordonne entre deux pôles: une réflexion sur la science contemporaine et les importants changements de perspective qu’elle impose par rapport à la science classique; une exigence éthique, la défense de valeurs spirituelles et religieuses menacées par le déterminisme matérialiste, auquel les succès de la science classique paraissaient assurer une base scientifique inébranlable.

L’idée directrice de l’épistémologie eddingtonienne, formée par la pratique de la théorie de la relativité, confirmée, après d’assez longues hésitations, par le développement des théories quantiques, concerne la vraie nature du savoir physique, qui n’est pas celui de la réalité naturelle elle-même, mais celui de la structure mathématique qui permet d’appréhender les propriétés géométriques et métriques de l’univers matériel; il y a donc un élément irréductiblement «subjectif» dans la science physique; c’est pourquoi Eddington appelle lui-même sa doctrine «subjectivisme sélectif», l’intervention de la grille formelle imposant nécessairement une sélection des données empiriques formant le contenu de la science. Philosophe spiritualiste, Eddington ne professe pourtant pas une philosophie idéaliste au sens fort du terme. Car quelque chose de la réalité naturelle elle-même est accessible à la connaissance humaine, à travers le savoir fondamental et structural de la physique, qui ne recouvre pas la totalité des connaissances, pas même à l’intérieur de la science. À la différence de Kant, Eddington ne défend pas une théorie idéaliste de l’espace et du temps: le devenir, la «flèche du temps», échappe à la théorie structurale, et la physique elle-même est obligée d’introduire un principe supplémentaire pour intégrer dans le système de ses lois cette propriété non structurale, réelle, de la nature. Et ce n’est pas la seule propriété réelle des choses que la science est amenée à reconnaître et à ordonner en des lois «secondaires» qui n’ont pas le caractère nécessaire et «primaire» des lois fondamentales.

Dans cette voie, après divers tâtonnements, Eddington invente une réponse originale à la question philosophique probablement la plus importante pour lui: qu’est-ce qui atteste la réalité irréductible de l’être pensant, la présence indiscutable de l’esprit dans le monde? Qu’est-ce qui, corrélativement, prouve, malgré les prétentions déterministes de la science, l’authenticité du libre arbitre? Certes, il arrive qu’Eddington évoque très traditionnellement le témoignage de la conscience, sans laquelle, dit-il parfois, aucun des mondes possibles n’aurait l’actualité ; mais l’évolution de la science lui fournit une autre réponse. Dès 1927, il s’était rallié à la thèse nouvelle de l’indéterminisme et il songea bientôt à en tirer parti en faveur du libre arbitre, mais il ne tarda pas à comprendre que l’on ne peut guère insérer la liberté humaine dans la marge d’indétermination qu’impliquent les conditions quantiques dans les phénomènes du niveau subatomique. Il s’efforça donc d’élaborer une doctrine plus subtile: l’indéterminisme signifiant en fait que les lois fondamentales sont de nature statistique, il en résulte que la notion de probabilité est conçue «objectivement» comme une fréquence; une hypothèse de probabilité sur une classe d’événements pose alors quelque degré de corrélation – ou, à la limite, l’absence de toute corrélation – entre les événements de cette classe; mais de telles corrélations sont des données objectives, contingentes, qui n’appartiennent pas au cadre structural de la science; les progrès de la physique ont montré qu’au niveau de la matière élémentaire règne le hasard, c’est-à-dire la non-corrélation; mais l’expérience montre aussi que la corrélation, rare dans l’Univers, est un caractère indiscutable du comportement intentionnel, ce qui authentifie sa consistance ontologique; et cela rend douteux qu’Eddington ait sérieusement pensé que, comme il osa l’écrire en 1927, «l’étoffe (stuff ) du monde est spirituelle».