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La physique quantique

"If you think you understand quantum mechanics, you don't understand quantum mechanics", Richard Feynman. Photo prise au CERN en 1965 lors d'une conférence de Feynman. Document CERN/Science Photo Library.

Comprendrons-nous jamais la physique quantique ? (II)

Une question de philosophie

Les physiciens n’aiment pas trop aborder les questions philosophiques dans leur métier. Cette façon de penser crée inévitablement des embarras car les philosophes exigent que chaque terme de chaque proposition soit défini avec précision, ce que les physiciens ne sont pas toujours en mesure de faire. En effet, les résultats des mesures dépendent parfois de valeurs statistiques comme l’équation de Schrödinger, la période de radioactivité des radioéléments ou de la section efficace d’une collision entre particule et nucléons pour citer des exemples bien connus. Chacun de ces sujets peut être défini avec précision mais leurs paramètres instantanés ne peuvent pas être connus avec précision, d’où certains conflits entre les deux méthodes de penser.

Les questions philosophiques exprimées dans un domaine où la rigueur des mathématiques occupe une place majeure conduisent également à des ambiguïtés et des confusions, tel fut le cas à propos de l’interprétation de la fonction d’onde à travers le paradoxe du chat de Schrödinger ou le paradoxe EPR.

Certains auteurs portés sur la philosophie en arrivent ainsi à considérer que la validité des concepts dépend du sens que l'on donne aux mots ! Que l'on considère l'onde probabiliste de Schrödinger ou l'onde matérielle des atomes, chaque concept imposerait des questions inductives et un arsenal d’instruments appropriés, suivant que l'on s'intéresse à l'onde ou à la particule. La psychokinèse de Costa de Beauregard soulève une argumentation plus "subversive" encore mais spéculative.

Selon les philosophes, les physiciens nous donnent une réponse fonction du contexte posé, mais l'hypothèse de départ, la question même n'est généralement pas entièrement formulée dans la réponse. Ils s’appuyent en cela sur le fait qu’il serait par exemple très difficile en physique quantique de reproduire toutes les conditions initiales énoncées dans la question, le théorème de Bell en apportant la preuve. Mais cela est faux ! Il n’y a pas de conditions initiales en mécanique quantique classique.

Selon des auteurs comme Kant ou Piaget, nos théories sont des cadres a priori de notre pensée, pensée qui par nature serait contrainte de s'imposer à travers nos sensations, mais de cadres théoriques motivés par l’expérience[1].

Pour le physicien Bernard d'Espagnat[2], "la physique n'a pas été pas capable de construire une description complète de l'expérience humaine [...] elle entraîne l'idée que le réel est voilé c'est-à-dire connaissable seulement en certaines de ses structures sans que, de plus, nous puissions dire exactement lesquelles de ces structures le sont".

Dans une certaine mesure Bernard d'Espagnat rejoint les conceptions de David Bohm. Nous retrouvons aussi l'affirmation de Platon qui, voici 2500 disait : "le monde matériel et visible des choses sensorielles n'est que l'ombre de la réalité des formes éternelles".

Que l'on voit la réalité à travers des conceptions matérialistes, instrumentalistes, réalistes ou idéalistes, cette façon de voir le Monde serait artificielle, fragmentée et ne serait jamais une réalité absolue, "indépendante". Autrement dit, pour les philosophes les lois physiques, le concept d'espace-temps par exemple et le principe d'irréversibilité temporel existent à travers nos données théoriques et nous voilent la réalité. La Réalité n'est donc pas visible en soi, mais certains de ses effets le sont. Dans leur esprit, la réalité absolue n’est donc que partiellement accessible.

Les physiciens ne demandent pas aux particules, ou aux champs discrets si vous préférez, de réponse explicite. Le formalisme dicte sa réponse, mais la question n'est pas toujours en relation avec celui-ci, tel que nous le démontre le paradoxe EPR par exemple.

Pour certains philosophes, que l'on voit la réalité à travers des conceptions matérialistes, instrumentalistes, réalistes ou idéalistes, cette façon de voir le Monde est artificielle, fragmentée et ne sera jamais une réalité absolue, "indépendante". Autrement dit, pour les philosophes les lois physiques, le concept d'espace-temps par exemple et le principe d'irréversibilité temporel existent à travers nos données théoriques et nous voilent la réalité. La Réalité n'est donc pas visible en soi, mais certains de ses effets le sont. Dans leur esprit, la réalité absolue n’est donc que partiellement accessible.

Parmi les structures de la réalité que nous découvrons, les philosophes insistent également sur un particularité. Certains phénomènes dissipatifs affichent, semble-t-il, une réalité de droit. Alors que la plupart des lois physiques sont réversibles et symbolisent l'harmonie du Monde tant dogmatisée, la physique statistique confirme néanmoins l'irréversibilité du temps. Dans tous les accélérateurs de particules, si la collision de deux protons donne naissance à une gerbe de nouvelles particules, cette réaction n'a jamais reformé les deux protons originaux.

Si cette chance de recombinaison est quasi nulle, Lamarck disait "la fonction crée l'organe". Cette sentence justifiée au niveau biologique, montre l'occurrence d'une réversibilité de droit dans un domaine qui n'est pas celui de la physique mais une théorie qui en est dérivée :

Théorie quantique des champs

Physique nucléaire et physique quantique non relativiste

Physique atomique

Chimie

Biologie

Pour les philosophes, cette complicité entre les sciences est naturelle. Non qu'ils souhaitent légitimer l'univers paranormal pour résoudre nos difficultés intellectuelles, mais la physique quantique leur offre l'occasion d'un rêve éveillé, très apprécié des "psy" et des auteurs en mal de mystère : l'expérience des ordinateurs quantiques, des supercordes,la rétrocausalité, les ondes pilotes ou les spineurs permettraient aux physiciens de soulever une partie du voile qui recouvre la réalité.

Pour le physicien toutefois, si quelque part nous "détruisons nos lois", c’est certainement pour faire un pas en avant. Et comme le disait Richard Feynman, "avec une prescription de mon médecin dans la poche m’interdisant de discuter avec des philosophes !". Veillons toutefois à utiliser les mots compatibles avec les observations et la définition précise de leur domaine de validité. On évitera ainsi beaucoup de contre-sens.

Quand l'objet devient un phénomène

Pour expliquer la plupart des phénomènes quantiques que nous avons mentionné, nous avons été forcés de placer ci et là certains mots entre guillemets. Car comme le disait Heisenberg[3], "[...] ce que nous observons n'est pas la nature elle-même, mais la nature exposée à notre méthode d'investigation". Eugène Wigner sera plus sévère encore quand il disait « aucun phénomène quantique n'est un phénomène, tant qu'il n'est pas enregistré".

Par ses dimensions et ses effets, le monde de la physique fondamentale est inaccessible à nos sens. Cette nature invisible nous parvient à travers une chaîne de processus et de protocoles se terminant tantôt par un détecteur de particules, tantôt par une plaque photographique ou un écran d'ordinateur. Le physicien ne voit donc jamais le phénomène en lui-même mais uniquement ses effets, ses conséquences.

Ce côté instrumental et procédural uni à la démarche scientifique nous permet malgré tout de distinguer les atomes et leurs composants, de prévoir leurs comportements et d'énoncer de nouvelles théories. Mais cette connaissance doit être traduite en langage. Or cet outil verbal qui est aussi celui des sens est inadéquat pour décrire ces phénomènes. Le monde des atomes nous paraît profondément paradoxal car nous ne pouvons pas figurer ces phénomènes à partir des images et des concepts liés à notre expérience ordinaire ou à notre imagination.

Les phénomènes qui évoluent au niveau microscopique nous échappant, nous devons dès lors assimiler le formalisme quantique à des règles opératoires plus traditionnelles.

Gilles Cohen-Tannoudji et Michel Spiro, physiciens au Commissariat à l'Energie Atomique (CEA) à Saclay ne veulent pas avoir recours à ces analogies pour expliquer la physique quantique. Tous deux considèrent le "démon de Maxwell"[4], le "chat de Schrödinger" ou la possibilité de remonter le temps comme des fantasmagories : "Lors des grands débats qui accompagnaient la fondation de la mécanique quantique [...] de telles allégories pouvaient être utiles, par exemple pour détendre l'atmosphère, mais on voit mal quelle utilité elles pourraient avoir à notre époque".[5]

Stephen Hawking va dans ce sens lorsqu'il dit : "Quand j'entends parler du chat de Schrödinger, je sors mon revolver".[6]

Effectivement, dans le contexte scientifique actuel cette interprétation à de quoi nous étonner. Il est vrai que le paradoxe de Loschmidt date de 1876. En un peu plus d'un siècle et tout spécialement depuis le milieu du XXe siècle, la physique des particules élémentaires et la physique nucléaire ont résolu bien des énigmes grâce à la révolution conceptuelle qu'entraîna la physique quantique. Mais si Niels Bohr considérait lui-même que les expériences physiques devaient être expliquées en termes classiques, il insistait sur le formalisme de la terminologie.

Pour comprendre la réalité physique, ou pour tout le moins s'en approcher, tout chercheur praticien doit définir les conditions d'observation. Si la physique classique ignore superbement les conditions de l'expérience - chaque objet est isolé des autres et n'interfère pas dans la mesure - la physique quantique exige que l'on détermine tous les états expérimentaux possibles. Cela vient du fait qu'à l'échelle du quantum d'action, h, les particules constituants les instruments du laboratoire ont une probabilité non nulle d'interagir avec le phénomène que l'on étudie. Dès lors le physicien doit avoir une maîtrise parfaite de son outil de travail. Il doit pouvoir décrire la réalité en sachant qu'elle n'est plus indépendante de l'observation, en particulier des instruments de mesure (sensibilité, tolérance, bruit quantique, temps d'inertie, interactions, etc). Il n'est donc pas étonnant que les physiciens s'intéressent de près au débat philosophique qui oppose les conceptions instrumentalistes et réalistes de la réalité du Monde.

Mais il est difficile de rendre compte de la "réduction" du paquet d'ondes d'un point vue cartésien. Comment fixer l'étendue de l'objet d'étude, jusqu'où faut-il aller pour que le phénomène observé ne soit plus perturbé par l'observateur ou l'acte de mesure ? En théorie jusqu'à l'infini puisqu'en physique quantique les entités ne sont que des fonctions d'ondes, qui lors d’une mesure deviennent des probabilités d'existence !

En fait la coupure dite "de von Neumann" définit la limite entre le phénomène et l'objet extérieur dont l'état peut être considéré comme réduit; ce n’est rien d’autre que la théorie des probabilités.

Mais lorsque les résultats sont pris instantanément, ils tendent à rendre cette limite tout à fait floue, von Neumann et tous les expérimentateurs ayant démontré que sa position se dérobe à l'instant de sa prise de conscience. La seule manière d'arrêter sa position est donc de la décrire en termes statistiques, classiques.

En pratique il est déjà possible d'isoler l'instrument de son sujet à condition que le dispositif de mesure n'ait aucune influence à courte portée. Si l'effet se ressent à grande distance, peu importe. Sa quantité sera isolée du système et négligée. C'est la seule façon de considérer le monde subatomique comme un système autonome et isolé.

Dans sa définition physique, un phénomène est ce qui s'est ou aurait dû se produire. Il obéit donc à une loi probabiliste et ne peut pas être déduit d'une loi déterministe. Le fait de s'identifier plus ou moins au phénomène que l'on étudie transforme la description quantique en une théorie relativisée de la mesure et on tend à oublier sa véritable nature d'ordre statistique.

Dans l'interprétation d'Everett[7], le mesurant, celui qui effectue la mesure ne réduit en aucune manière le paquet d'ondes. Etant donné que le résultat est déjà obtenu, selon Schrödinger[8] la théorie quantique n'est pas contradictoire. L'observateur n'a aucune possibilité d'agir sur le monde, sa réalité est macroscopique tandis que les phénomènes qu'il étudie sont microscopiques, ses fluctuations limitées à l'échelle quantique. Schrödinger[9] justifie son interprétation probabiliste en posant deux conséquences : "...une connaissance que personne ne connaît n'est rien". Cette prémisse est reconnue par tous les scientifiques "positivistes" qui refusent de donner leur avis sur des choses impalpables, qui ne peuvent faire l'objet d'une mesure. La matrice de diffusion de Feynman n'a donc aucune réalité entre deux mesures et l'équation d'onde n'existe pas.

Certains physiciens, tel John G.Cramer[10] de l'Université de Washington ont fondé leur théorie sur le principe de non-localité et des "ondes avancées". Extraite des idées de Wheeler et Feynman, l'interprétation de Cramer est dite "transactionnelle", car elle met en évidence une relation bilatérale entre événements passés et futurs. Mais Cramer décrit des phénomènes inobservables... Cela deviendrait-il une habitude en physique quantique ?

Un principe de causalité indémontrable

Maintes théories philosophiques furent édifiées sur le "flou quantique". Parmi celles-ci citons la théorie du "bootstrap "[11] élaborée par Geoffrey Chew au début des années 1960, époque qui vit la prolifération des particules et la naissance des grandes théories de symétrie.

Chew tenta de déterminer les amplitudes de transition par un raisonnement dit "autocohérent", une hypothèse selon laquelle la Nature s'affirmait d'elle-même, sans aucun dessein ou réalité ultime. Les particules pouvant s'auto-créer dans une succession de désintégrations, cette "démocratie nucléaire" sous-entendait que chaque particule était constituée de toutes les autres.

Quoi qu'en dise son plus fervent admirateur F.Capra, il parut rapidement utopique de construire une théorie cohérente de cette manière. Toutes les particules en effet n'étaient pas, a priori, sur le même pied d'égalité. Il semblait évident que les hadrons étaient construits sur quelque chose de plus élémentaire, comme les quarks. Cette démarche va donc à l'opposé du concept de grande unification et de la théorie des quarks; elle rejoint en fait celle de David Bohm.

La théorie de Chew retrouva cependant un second souffle, et quel souffle, lorsque les physiciens découvrirent les théories de supersymétries. Ses avancées récentes font des théories de supercordes et autre supergravité les candidates toutes désignées pour la théorie unifiée des champs.

Parmi les thèses "orthodoxes", c'est-à-dire celles qui repoussent tout mécanisme obscur et qui sont donc intellectuellement plus attirantes, il ne reste finalement que la thèse de Roger Penrose. Mais ce que l'on oublie souvent de dire, c'est que son résultat est foncièrement probabiliste. Le fait de mesurer une désintégration atomique donnera toujours un résultat imprévisible. Seule chose dont Penrose est certain c'est que le compteur Geiger de l'expérience EPR a amplifié un événement quantique, ce qui a permis d'obtenir un résultat macroscopique (la détection).

Costa de Beauregard a dit un jour, "L'exploration d'un nouveau domaine et sa "mise en valeur" ne vont jamais sans risques. Que prévale sagesse dans une telle exploration, c'est ce qu'il faut souhaiter". Cohen-Tannoudji et Spiro appuient dans ce sens : "L'imagination est l'une des principales sources du développement scientifique. Encore faut-il ne pas mélanger les genres".

Suivant les principes non déterministes enseignés par Bohr et Heisenberg et faisant partie de la conception quantique standard, une tendance se dessine pour considérer la théorie quantique comme correcte. Comme le dit l'astrophysicien Trinh Xuan Thuan[12] de l'Université de Virginie "Il n'y a rien à comprendre, la Nature est ainsi faite." Mais les nuages probabilistes et les influences instantanées à distance agacent les physiciens qui préféreraient une théorie claire qui ne défie pas la logique.

Corrélation ou non, la physique quantique explique de nombreux autres comportements de la matière, tel que le fonctionnement des composants électroniques, l'émission laser ou le phénomène de désintégration radioactive (la période des éléments). Les instruments exploitant ces principes sont présents dans les laboratoires, dans l'industrie et dans nos habitations : transistors, photomultiplicateurs, ordinateurs, microscopes à effet tunnel, holographes, interféromètres lasers, scanners, marqueurs radioactifs des médiateurs chimiques, fours à micro-ondes, radars, avions, etc. En retour, à travers ses innovations la technique change la science[13].

Dans l'univers, où les particules sont à la base de toute chose, les relations d'incertitudes occupent une place dominante et seule notre science fait écho à leur réalité.

La Théorie de Tout

Le Saint Graal de la physique est la recherche de ce qu'on appelle "La Théorie de Tout"[14], la théorie fondamentale à partir de laquelle toutes les autres pourraient être dérivées (relativité générale et physique quantique, desquelles nous pourrions dériver la relativité restreinte, la physique quantique non relativiste, la physique nucléaire, la phénoménologie des particules et toutes leurs dérivées jusqu'à l'électromagnétisme, la mécanique statistique, la thermodynamique, l'astrophysique, la chimie, la biologie, la médecine, l'informatique, la sociologie...).

Si une telle théorie existe, elle remplacera beaucoup d'interrogations actuelles par des équations et les paramètres (constantes) par des variables. Tous les physiciens reconnaissent qu'il nous manque quelque chose, une théorie cohérente, harmonieuse et la plus générale possible unifiant la relativité générale et la physique quantique. Pour éviter le problème des régressions infinies (où chaque ensemble de concepts constituant une théorie s'explique par référence à des termes plus fondamentaux qui, à leur tour, doivent être décrits, et ainsi de suite), une théorie unifiée ne contiendra probablement aucun concept du tout.

Si par chance l’occasion s’offrait un jour à nous de pouvoir répondre à la question du pourquoi de l’Univers, la curiosité nous pousserait forcément à répondre à cette question pourquoi sommes-nous là ? Mais interrogeons-nous d’abord sur le fait de savoir si nous sommes prêts à entendre la réponse et à supporter ses conséquences…

En un peu plus d'un siècle d'existence, la physique quantique a prouvé sa puissance prédictive et de création en nous proposant de merveilleuses technologies et en répondant à de nombreuses questions. Toutefois, comme toute théorie, la physique a soulevé de nouvelles questions, toutes aussi importantes pour notre compréhension du monde que la Loi de Newton ou les équations de Maxwell en leur temps; ces questions concernent à la fois la gravité quantique et l'ultime nature de la réalité. Si l'histoire évolue toujours semblable à elle-même, les siècles à venir seront certainement riches d'étonnantes surprises.

Si Hegel disait "Tout ce qui est réel est rationnel, et tout ce qui est rationnel est réel" il serait tout à fait surpris d'apprendre que la réalité peut être très paradoxale, même si dans son esprit la Création est une opération divine parce que, pour lui, l’homme ne devait pas prétendre comme plus tard Einstein, pouvoir sauter au-dessus de son temps[15]. Et Einstein ne sera pas le seul.

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[1] Pour une étude détaillée du statut de la réalité lire, B.d'Espagnat/B.Klein, "Regards sur la matière", Fayard, 1993.

[2] B.d'Espagnat, Journal de Pysique, C2, 1981, p104 - B.d'Espagnat, "Une incertaine réalité", Gauthier-Villars, 1985.

[3] W.Heisenberg, "Physique et philosophie", op.cit., p81.

[4] Cette expérience imaginée par Maxwell en 1871 avait pour but de mettre en défaut le second principe de la thermodynamique qui précise que tout système a tendance à l'homogénéisation et donc au désordre. En considérant une enceinte séparée en deux parties A et B par une cloison comportant un trou, un démon observant les molécules pourrait ouvrir et fermer à volonté cette ouverture en prenant soin de laisser uniquement passer les particules rapides. La température qui règnerait dans les pièces A et B serait alors en contradiction avec ce second principe. C'est Léon Brillouin qui s'affranchit de cette difficulté en considérant qu'il existait des limites objectives à toute connaissance, limites fixées par le quantum d'action.

[5] G.Cohen-Tannoudji et M.Spiro, "La Matière-Espace-Temps", Fayard, 1986.

[6] S.Hawking parodie les mots d'une pièce de Hans Johst, "Schlageter" : "Lorsque j'entends le mot kultur, j'enlève le cran de sûreté de mon Browning".

[7] B.S.de Witt et N.Graham, "The Many-Worlds Interpretation of Quantum Mechanics", Princeton University Press, 1973.

[8] E.Schrödinger, "L'Esprit et la Matière", Seuil, 1990.

[9] E.Schrödinger, "Quantum Theory and Measurement", Princeton University Press, 1983.

[10] J.Cramer, "The Transactional Interpretation of Quantum Mechanics", Reviews of Modern Physics, 58, 1986, p647.

[11] Par allusion au baron de Munchhausen qui pouvait se soulever du sol en tirant sur ses tirants de bottes (boot-strap).

[12] T.X.Thuan, "La mélodie secrète", Fayard, 1988.

[13] S.Hall, Science, 257, 1992, p344 - R.Crease, Science, 257, 1992, p350.

[14] TOE (Theory of Everything) en anglais, que l’on appelle aussi la « Théorie du Tout ».

[15] G.W.F.Hegel, préface des "Principes de la philosophie du droit" (1820), trad.Gibelin, Vrin.


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