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Philosophie et science - La physique comme discipline de la connaissance

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2/ LA PHYSIQUE COMME DISCIPLINE
DE LA CONNAISSANCE (son épistémologie)
[1]

 

Il est important de dire où en est la philosophie de la physique après la mutation de cette science vers le formel. Si la technicité de la théorie relativiste n’est pas telle qu’elle oppose à un philosophe un obstacle trop redoutable, celle de la physique quantique est considérable[2], et c’est ce qui explique sans doute un certain mimétisme entre les vues qu’entretiennent sur son épistémologie les physiciens ou les philosophes. Il est vrai que les plus grands noms de la physique des années trente ont participé à ce débat et que, jusqu’à hier encore, on ne pouvait guère que commenter BOHR, EINSTEIN, SCHRÖDINGER, HEISENBERG, DE BROGLIE et quelques autres.

ROLAND OMNES a préféré rester fidèle à la méthode qu’il avait suivie jusqu’ici en ne s'efforçant pas de couvrir tout le champ offert, pour retenir de préférence l’exemple le plus significatif. Il laissera donc de côté tout ce qui touche à l’espace et au temps – beaucoup d’auteurs consacrent d’ailleurs une bonne part de leurs textes à des commentaires des vues d’EINSTEIN sur le sujet.

Il est vrai qu’on voit paraître depuis peu d’autres ouvrages, plus proches des travaux actuels, chose qui serait excellente si n’y figuraient trop souvent des spéculations extrêmes. Cette tendance est troublante, autant pour le grand public que pour les philosophes, qui peuvent avoir de la peine à s'orienter, d’autant plus que des physiciens honorablement connus se risquent à cet exercice. Ils font sans doute œuvre utile quand ils montrent les pistes que la recherche suit aujourd'hui, mais la difficulté commence quand on ne marque plus assez qu'il s'agit de pistes à l'aboutissement incertain. La relativité générale a en effet la particularité de per­mettre au chercheur de jouer avec des modèles mathé­matiques surprenants, souvent fascinants (bébés uni­vers, wormholes ou univers communicants, univers soumis à une expansion catastrophique dite inflation­niste, trous blancs). Il n'est pas impossible que ces essais suggèrent quelque chose à propos de la réalité, et le fait que la mathématique y soit conduite avec soin leur confère une apparence de qualité scientifique, res­pectable certes, mais néanmoins bien insuffisante pour ceux qui n'admettent en science que les démonstrations de l'expérience et de l'observation. Ainsi le meilleur de ces livres est-il dans les questions qu'ils posent davan­tage que dans les réponses qu'ils tentent ROLAND OMNES s’en tiendra donc encore à la physique quantique, et, même ainsi, il restera bref, car on verra en 3e et 4e partie comment des progrès récents de la théorie renouvellent certaines de ses conséquences épistémiques. On ne retiendra pour l’instant que ce qui est le plus communément admis, en mettant en lumière les points saillants de la doctrine magistrale de NIELS BOHR. Il est vrai que ce sera dans une optique un peu parti­culière, car ROLAND OMNES voudrait montrer que BOHR ne pouvait faire autrement que de poser ce cadre au moment où il le fit, c'est-à-dire aux débuts de la théorie, et qu'il fut amené ainsi à imposer des règles de pensée sévères et très restrictives. Les redoutables interdictions qu’il pro­mulgua furent bénéfiques aux physiciens, car elles leur donnèrent les moyens de mettre entre parenthèses des questions qui les auraient peut-être autrement arrêtés (on œuvre mieux sous des règles strictes, tout auteur de sonnet vous le dira). Elles eurent aussi, malheureuse­ment, pour conséquence d’entraîner une grande confu­sion philosophique.

On distingue mieux aujourd'hui ce qu'il convient de préserver dans l'œuvre de BOHR et ce qu’on peut réviser. Peu de choses sont à y modifier tant qu'on s'en tient à la pratique du physicien, mais beaucoup en revanche du point de vue du philosophe. L'œuvre de BOHR n’en reste pas moins une référence trop connue pour qu’on ne consacre pas un chapitre à en faire le tour, ne serait-ce que pour comprendre pourquoi elle fut construite ainsi.

Pourquoi l’interprétation ?

Regardons un objet, quel qu'il soit, le plus banal, une boule sur un billard, par exemple. Comparons alors la manière dont nous le pensons et celle dont la physique contemporaine le décrit. Rien de plus simple en ce qui nous concerne : tout le monde a vu ce genre d'objet, et, au moment où vous-même, lecteur, lisiez la première phrase, l’image d’une boule s’est esquissée en votre ima­gination. Il y a moins d’un siècle, un physicien n’aurait guère pensé autrement. Sans doute eût-il été plus pré­cis, en associant en particulier les coordonnées du centre de la boule à des nombres pour s'aider des mathématiques. Eût-il été un atomiste, il aurait pu se représenter un empaquetage serré d'atomes constituant la boule, chaque atome étant imaginé comme une autre sorte de boule, très petite celle-là.

Il n'y a plus rien de pareil en mécanique quantique. Le physicien y part bien de l'idée que la boule est un assemblage d'un nombre énorme d'atomes, mais il passe immédiatement de là à une fonction d'onde qui dépend d'autant de variables qu'il y a d'électrons et de noyaux d'atomes dans la boule. Sa notion de la position du centre de la boule ne diffère pas trop de celle de son aïeul, le physicien classique. Mais veut-il parler de la vitesse, alors il commence par dériver la fonction d'onde par rapport à certaines variables, il la divise par le nombre complexe i (racine carrée de - 1) et il pour­suit de savants calculs pour dire finalement : « Je ne peux pas affirmer quelle est exactement la vitesse de la boule (la position de son centre non plus, d'ailleurs), mais voici une répartition de probabilité qui vous donne les chances de la trouver avec telle ou telle valeur. » Il n'a plus en tête aucune image précise de la boule, et il ne lui reste au mieux que l'impression estompée d un nuage de probabilités.

Et pourtant la boule semble bien là ; elle roule. Tout paraît incontestable : la nature atomique de la matière et les lois quantiques qui gouvernent les particules, confirmées par toutes les expériences de physique, l'impossibilité de pouvoir atteindre ou de concevoir autre chose que des probabilités par la théorie et, tout aussi incontestable, ce fait que voici : la boule qui est là, bien présente. Serait-elle capable de rire de nous, qu'elle le ferait devant notre déconvenue. Nous ne comprenons pas, nous ne comprenons plus, l'alpha du fait semble refuser l'oméga de la théorie.

Le but de l’interprétation* est de réconcilier ces extrêmes, de montrer, s'il se peut, qu'elles sont cohé­rentes, d'établir quels seront les modes de pensée capables de les relier sans les déformer. On ne saurait rêver entreprise plus philosophique, puisqu’il s'agit en somme de savoir comment penser le monde.

Il y a au moins deux manières de concevoir l’inter­prétation. La première prend pour assise le lot commun de l'humanité, sa représentation du monde peuplée de faits, son bon sens millénaire. Elle trie dans cela ce qui est compatible avec les découvertes de la physique, épure les concepts, limite leur champ et parle enfin du monde, avec une prudence de chat. C’est cette voie que BOHR a suivie. Une autre conception de l’interprétation consisterait à en faire une branche particulière de la physique théorique. On y partirait des principes établis (existence des particules, fonctions d'onde, etc.) et on montrerait comment en surgissent, par voie de démons­tration mathématique, tous les caractères de la repré­sentation classique et du sens commun pour les objets assez grands pour être à notre échelle. C'est la voie plus récente que nous verrons plus loin.

Il est clair que le mal (si l’on veut l'appeler ainsi) auquel l’interprétation veut porter remède a sa cause dans le caractère formel de la science, dans le fait que ses concepts premiers sont irreprésentables à l'imagina­tion. On pourrait même ajouter que, toute la physique étant plus ou moins formelle, y compris celle qu'on dit classique, partout elle requiert une interprétation. Ce n’est qu’à peine perceptible avec la physique de NEWTON, c'est déjà une légère gêne que certains (les plus perspi­caces) ressentent avec l’électrodynamique de MAXWELL[3] et cela devient assurément manifeste en relativité. On dispose cependant dans ce dernier domaine d’une méthode simple pour l’interpréter, qui consiste à imagi­ner çà et là, où il le faut, des observateurs en mouve­ment. Le procédé est si commode que beaucoup de gens ne se rendent même pas compte que le but et le propos de ces observateurs imaginaires est de faire de l'interprétation.

L'interprétation devient essentielle en mécanique quantique, pour au moins trois raisons.

  •  D’abord, parce que le formalisme de la théorie est le plus obscur qui soit.
  • Ensuite, parce que la notion même d'un observateur cesse d'être transparente, et ceux qui l'ont employée à fond ont toujours fini par faire entrer en jeu la conscience, au risque de nier le caractère objectif de la science
  • Enfin, parce que le caractère probabiliste le la théorie doit être au bout du compte concilié avec l’existence indubitable des faits, par où l’interprétation cesse d’être un simple exercice de traduction pour devenir une théorie en soi.

Le principe de complémentarité

Les principes de la théorie associent les grandeurs physiques avec des objets mathématiques abstraits, des opérateurs* dont une des propriétés majeures est de ne pas commuter entre eux. Sans élaborer là-dessus, disons que c’est là l'origine formelle des relations d’incertitude* de HEISENBERG, qui nous empêchent de pouvoir attribuer à la fois une position et une vitesse bien définies à une particule. De manière similaire, on ne peut décrire simultanément la lumière comme étant une onde électromagnétique et comme étant formée de photons.

C'est de là que vint la première contribution majeure de BOHR à l'interprétation. Je peux parler, dit-il en sub­stance, de la position d'un atome à un moment donné, ou bien de sa vitesse, mais je dois faire un choix. Ces manières de parler, ces descriptions, sont complémentaires, par quoi je veux dire que chacune d'elles est en elle-même correcte, sans contradiction interne, mais qu'il est impossible de les conjuguer. Cette impossibilité de les combiner est un principe, le premier de l'inter­prétation, le principe de complémentarité*. BOHR était à tel point convaincu de l'importance de ce principe qu'il en chercha plus tard d'autres exemples, aussi bien en philosophie qu'en biologie et en psychologie. Il est cependant curieux de noter qu'il ne semble pas y avoir reconnu la notion d'univers de discours, depuis si long­temps discernée par la logique.

Le principe de complémentarité apporte avec lui deux risques immédiats. Le premier est celui des para­logismes : quand et comment est-il possible de rester logique et cohérent alors que le même objet peut être saisi de deux, voire de cent manières différentes ? Le second danger est dans l'arbitraire : selon quels critères élire une description plutôt qu'une autre, sinon par mon libre choix, à moi qui pense et qui parle, au risque de renoncer à l'objectivité ? La réponse de BOHR est catégorique : ne parlons même pas, dit-il, des objets atomiques, et n'employons le formalisme que pour ce qu'il peut nous donner – des nombres, des probabilités. N'en parlons pas et faisons même une règle impérative de l'interdiction d'en parler.

Arrêtons-nous un instant sur cette injonction, ce commandement : « Tu ne parleras pas du monde ato­mique en soi. » BOHR en a formulé d'autres, mais celui-là est exemplaire, typique de la voie vers laquelle il menait l’interprétation. On continue de garder la repré­sentation commune du monde, mais on en restreint considérablement le champ K II y a des choses inter­dites. Comment ne pas songer ici à Kant et au « destin singulier de la raison, toujours troublée par des ques­tions qu'elle ne peut ignorer par sa nature même, et qui transcendent cependant ses pouvoirs » ? BOHR, comme Hume et pour des raisons qui ne sont pas sans rapport, prononce un interdit et impose l'existence de l’inacces­sible, de l’impensable. On peut ainsi tenir Hume, avec son renoncement à connaître l’origine de l’ordre du monde, Kant, avec ses antinomies indénouables, et BOHR enfin, comme les grands princes de l’interdit.

Qu’est-il alors possible de penser, positivement, selon BOHR ? Il le dit clairement : nous ne parlerons que de ce que l’on voit et que l’on touche, c’est-à-dire en l’espèce des appareils avec lesquels on fait la physique. Nous mettrons entre parenthèses la nature atomique de la matière qui constitue ces appareils, ainsi que les lois quantiques correspondantes. Nous ne retiendrons que les faits, sans nul état d’âme. Oui, les choses que je vois sont telles que je les vois : elles sont classiques, et j’interdis d’en parler autrement. Que ceux qui bravent cet interdit sachent bien qu’ils s’exposent aux pires déboires et à l’éclatement de la pensée.

BOHR nous dit bien aussi quelles sont les raisons qui le mènent. Il ne songe pas vraiment, quand il se rabat sur la seule physique classique, à la dynamique de NEWTON ou autres choses savantes. Il s'ancre plus pro­fond, dans ce qui est clair et parfaitement représen­table, dans le seul fond où il croit possible d’énoncer une vérité, de se souvenir du passé pour enregistrer les faits, de raisonner avec certitude. Ses raisons appar­tiennent au domaine de la logique la plus classique, la plus certaine à nos yeux. La voie classique est élue parce quelle seule, au moins à ce qu’il semble, permet une appréhension logique du monde.

Il peut en tirer un bénéfice immédiat, car l’arbitraire propre au principe de complémentarité est aisément levé : on ne parlera que des quantités atomiques qui sont révélées directement par des appareils de mesure. Comment, par exemple, vais-je parler d’un faible rayon­nement électromagnétique ? Je m’abstiens tout simple­ment de le faire explicitement s’il n’est pas détecté – interdiction, rappelons-le, de parler du monde quantique en soi. Si le rayonnement est en revanche détecté par une antenne, nul doute, on peut alors parler d’une onde ou, si l’on préfère, d’un champ électrique, car c’est ce que mesure une antenne. S’il est détecté par un photomultiplicateur, un compteur à photons, alors on peut parler effectivement de photons.

La solution de BOHR avait le mérite de l’efficacité, car elle permettait à la physique de poursuivre son cours vers d’autres découvertes. Elle soulevait aussi, en contrepartie, une difficulté formidable. La physique ne se trouvait-elle pas ainsi écartelée entre deux systèmes de lois antagonistes : le système classique, déterministe et lieu de certitude, et le quantique, parcouru de possi­bilités complémentaires et purement probabiliste, incertain, aléatoire ? Comment un même homme peut-il servir deux César, une même science obéir à deux catégories de lois ? En s’accrochant à la vérité des faits et en la proclamant l’unique vérité, BOHR ne pou­vait manquer d’ouvrir dans la science une brèche logique particulièrement menaçante, car que devient ainsi sa cohérence ?

Nombreux furent ceux qui refusèrent de faire l’impasse sur la nature quantique profonde de la matière des appareils pour ne retenir que leur appa­rence classique. Le chat de SCHRÖDINGER, qu’on verra plus loin, nous le rappelle, et les tentatives de VON NEUMANN pour construire une théorie quantique des appareils de mesure apportent aux physiciens les mêmes signes d’alerte que ce chat aux non-spécialistes. EINSTEIN ne se résolut jamais à suivre BOHR, et sa méfiance allait jusqu’à mettre en doute le caractère irréductible du hasard quantique. LOUIS DE BROGLIE et BOHM tentèrent de proposer d'autres théories qui modi­fieraient ou compléteraient la mécanique quantique.

EINSTEIN, PODOLSKY et ROSEN, BOHM encore et puis BELL essayèrent de mettre à l'épreuve, de diverses manières, le principe de complémentarité dans des circonstances subtiles. BOHR, jusqu'à la fin, demeura impavide face à toutes ces tentatives.

La réduction de la fonction d’onde

On peut se demander à quoi sert encore la fonction d’onde, si les données des expériences ne s’expriment que par des propositions classiques où elle n'entre pas. BOHR ne nie bien sûr rien du formalisme quantique, bien qu’il tienne à le confiner à son rôle de moyen de calcul, de prédicteur de probabilités. C'est cela, une fonction d'onde : l'aliment d'une machine à fabriquer des probabilités. La théorie quantique est vraie, non pas comme un fait, mais comme un ensemble de règles coordonnant les faits, vérifié parfaitement pour autant que les probabilités prédites s'accordent avec les fré­quences des données qu'on mesure. La notion de fré­quence est ici celle du calcul ordinaire des probabilités, par exemple la proportion des cas où le chiffre 12 sort à la roulette dans un casino. Au lieu de roulette, on a des atomes ; au lieu de calculs combinatoires du genre de ceux que faisait Pascal, on en a d’autres, qui font emploi de la fonction d’onde.

Oui, mais n y a-t-il pas là un hic ? Comment peut-on connaître la fonction d'onde d’un atome quand on s’est interdit de parler du monde quantique en soi et qu’on n'admet de connaître que des données classiques ?

BOHR se tire de cet embarras en promulguant une nouvelle règle. Il faut, commence-t-il par noter, ne pas considérer seulement l'appareil qui mesure, mais aussi celui qui produit, l'accélérateur de particules au même titre que le compteur qui les détecte. L'appareil de production ressemble souvent à s'y méprendre à un appa­reil de mesure, et c'est le cas que BOHR juge le plus intéressant, jusqu’à presque en faire la règle générale. Il donne ainsi un rôle privilégié à la situation où deux appareils de mesure se succèdent. Si on peut dire ce qu'est la fonction d'onde de l’atome mesuré au sortir du premier appareil, alors on pourra prédire les probabili­tés des résultats possibles de la seconde mesure, et soumettre ainsi la théorie à la vérification expérimen­tale.

Cette fonction d’onde, BOHR la définit par une règle spéciale, la « réduction » de la fonction d’onde. C'est une règle technique que nous n’expliciterons pas, mais qui revient en pratique à ceci : dites-moi quel est le résultat de la première mesure, et voici, je vous donne la fonction d’onde qui va permettre de calculer les pro­babilités qu’on peut attendre pour la seconde mesure.

Ici se pose une question sémantique. Que signifie cette prescription ? Il pourrait ne s'agir que d’une simple règle pratique, très empirique, donnant seule­ment ce qu’on appelle une probabilité conditionnelle, c’est-à-dire les probabilités des divers résultats de la seconde mesure sous la condition d’un résultat acquis pour la première. C’est ce que donnerait aussi un tableau à double entrée avec autant de rangées que de résultats possibles de la première mesure, autant de colonnes que de résultats de la seconde et où figurerait à chaque fois le nombre des cas où ces deux résultats ont été obtenus l’un après l’autre. La règle de BOHR nous dirait alors seulement comment calculer les nombres qui figurent dans le tableau. Si la règle de réduction n’est rien que cela, on peut concevoir de la déduire des principes fondamentaux de la théorie, et c’est d’ailleurs ce qui a été fait récemment. BOHR n’imaginait pas cependant qu’on parvînt à le faire, et il prenait une voie bien différente. Quand la première mesure a eu lieu, il suppose que la fonction d'onde de l'atome perd sou­dainement presque toute mémoire, toute trace de ce quelle avait pu être auparavant, et quelle devient réelle­ment, brusquement, ici et partout, ce que la règle énonce. La règle constitue alors une loi de la physique qui, pour BOHR, est sans aucun analogue connu. Sans elle, en effet, on ne connaîtrait pas la fonction d'onde, on ne pourrait pas calculer de probabilité, et la comparaison de la théorie avec l'expérience deviendrait impossible. La réduction de la fonction d'onde est donc un préalable indispensable à la sémantique expérimen­tale.

La faille profonde que BOHR avait déjà creusée au sein de la physique avec ses deux catégories de lois, les unes classiques et les autres quantiques, s'élargissait ainsi davantage. Si l'on tente, en effet, de concevoir l'appareil de mesure comme fait d'atomes quantiques et qu'une même équation de SCHRÖDINGER décrit à la fois l'appareil et l'atome qu'il mesure, on constate que la réduction, telle que BOHR la conçoit, est mathématiquement incompatible avec cette grande équation de SCHRÖDIN­GER. Elle fait donc plus que de mettre entre parenthèses la nature atomique des appareils : cette fois, elle la nie. Étrange situation, d’autant plus que d'innombrables expériences, dont certaines sont extrêmement précises et d’autres très subtiles, s'accordent toutes sur un point commun : la règle de réduction de la fonction d’onde, au moins au sens que lui donne un tableau à double entrée, est parfaitement vérifiée.

Voici donc le dilemme : y a-t-il effectivement deux catégories de lois de la physique en même temps qu'un très étrange phénomène de réduction irréductible à aucune de ces deux catégories ? Ou n'y a-t-il qu'une seule catégorie de lois, nécessairement les plus univer­selles (c'est-à-dire quantiques), et la règle de réduction n’est-elle qu’une conséquence directe des autres principes, sans phénomène physique particulier à la clef ? La plupart des commentaires philosophiques consacrés à la physique quantique se sont appuyés sur la première branche de ce dilemme, celle élue par BOHR et long­temps considérée comme la seule possible. Il est clair cependant que les conséquences philosophiques seraient bien différentes si la seconde branche s’avérait la bonne. Toutefois, pouvoir distinguer entre l’une et l’autre n’est pas une tâche qui revient à la philosophie, mais à la physique, car la seconde possibilité ne fait que poser un problème de physique théorique, lequel a ou non une réponse positive.

La science réclame du temps, et la philosophie plus encore, en dépit de l’impatience de l’esprit. Les pres­criptions de BOHR auraient été d’une sagesse parfaite si elles s’étaient présentées pour ce qu’elles sont : des règles pratiques pour le physicien et des règles nécessaires de prudence pour la pensée, même si elles ne devaient être que temporaires. Il est dommage qu’il ne s’en soit pas tenu là, car il eût été pour les siècles futurs le parangon du sage, et non pas seulement, ce qui n’est pas mince, un très grand physicien.

 


[1]In « Philosophie de la science contemporaine », ROLAND OMNÈS, Gallimard, sept. 1994, p. 234 à 246.

[2] Avec la mécanique quantique, nous sommes laissés en présence de quelque chose qui ressemble à un flux de résultats expérimentaux isolés, singuliers, indissolublement dépendants des conditions expérimentales qui y ont abouti. Ces résultats n'ont en effet pas un degré suffisant d'invariance par changement des séquences expérimentales pour qu'on puisse les détacher du contexte instrumental de leur survenue et les traiter comme s'ils étaient autant de reflets d'une détermination que possèderait en propre l'objet de type corpusculaire.

Les événements de la physique microscopique sont en bref essentiellement contextuels, ou encore, comme le dit M Mugur-Schächter, ils relèvent d'une « relativité descriptionnelle » (Michel Bitbol in « Comment une épistémologie formelle est-elle possible ? »  (« Revue Internationale de Systémique », 1996).

[3] Vers 1865, Maxwell a réalisé une synthèse harmonieuse des diverses lois expérimentales découvertes par ses prédécesseurs (lois de l'électrostatique, du magnétisme, de l'induction…). Mais cette synthèse n'a été possible que parce que Maxwell a su dépasser les travaux de ses devanciers, en introduisant dans une équation un « chaînon manquant », appelé le courant de déplacement, dont la présence assure la cohérence de l'édifice unifié.

Maxwell a d'abord publié en 1865 sa théorie sous la forme de 20 équations à 20 inconnues, écrit à l'aide dequaternions. En 1873, dans l'ouvrage en deux volumes A Treatise on Electricity and Magnetism, Maxwell a déjà réécrit sa théorie sous la forme de 8 équations. Ce n'est que plus tard qu'Heaviside réécrivit ces équations sous la forme des 4 équations vectorielles aux dérivées partielles que l'on connaît maintenant

 

 


Date de création : 02/04/2016 @ 19:20
Dernière modification : 02/04/2016 @ 19:29
Catégorie : Philosophie et science
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