Les théories de la physique moderne

« Elle aimait les pensées… A moins que ce ne fût les marguerites »
Frank Herbert – Dune

Voilà maintenant déjà trois ans que j’ai pleinement plongé mon esprit dans l’étude de la physique. A vrai dire, c’est une passion qui remonte à longtemps et que je ne cultivais jusque là qu’en dilettante. Aussi je me souviens avec nostalgie du numéro hors série de « science et vie junior » sur la relativité d’Einstein de 1996, de la collection « Astronomia » de 1995, ou encore de cette boussole qui était offerte avec des livres des éditions « Time Life ». J’avais 11 ans alors, et pour autant que je me souvienne, ce sujet m’a toujours passionné1.

L’école a formidablement réussie, dans son entreprise de sape, à enterrer, au moins momentanément, la curiosité enfantine que je nourrissais. Il fallait calculer la trajectoire d’un boulet de canon, ou un palet sur une pente en présence de forces de frottement, et d’autres choses tout aussi chiantes qu’inutiles. Il fallait accepter sans réserve un ensemble prémaché de lois, se fondre dans un moule de certitudes en laissant sur la bord de la route toute once d’esprit critique. Résoudre des exercices, appliquer des recettes, sans prendre un instant pour essayer de comprendre, ou même contextualiser. Absorber la physique comme un domaine achevé, à l’opposé de ce qu’elle est, un champ d’incertitudes en plein développement, ou les paradigmes d’aujourd’hui seront dans une certaine mesure les curiosités historiques de demain2.

La physique, celle que l’on enseigne, assez mal, à l’école, est une étude quantitative des phénomènes, elle s’intéresse principalement à leur variation dans le temps, c’est une tentative de description de la nature, la projection, d’une réalité qui nous échappe encore, dans une structure donnée à priori et remontant à Euclide, celle d’un espace et d’un temps dit cartésien, qui se confond avec cette intuition immédiate que nous avons de la réalité, ce qui est, ou ce qui existe3. Intuition qui, nous le verrons par la suite, est fausse. La réalité n’est pas, fondamentalement, telle qu’on se la représente et elle ne peut pas être objectivement décrite dans ce cadre la, sinon grossièrement, au feutre épais.

Le début du XXeme siècle fut le terrain fertile d’une révolution scientifique majeure. La physique d’alors, celle qu’on apprend à l’école, gouvernée par les résultats de Newton et Maxwell, devait être mise à mal par les travaux d’Einstein et Planck au début, puis ceux de De Broglie, Schrödinger, et Dirac pour ne citer que quelques éminents représentants des révolutions relativistes et quantiques. Si les objectifs de cette nouvelle physique restent ici les mêmes, dont celui principalement de décrire la nature et d’en tirer des applications pratiques, elle en vient à nous enseigner des aspects totalement contre intuitifs de la réalité. Ce sont ces aspects la qui vont par la suite nous intéresser.

L’Ere mécaniste de Galilée à Einstein

Nous devons à la physique classique une représentation mécaniste du monde, faite à la base d’objets en mouvement et d’interactions. C’est à cette physique initié par Galilée et Newton, à ses développements ultérieurs, que fait référence la célèbre citation de Laplace « Nous devons donc envisager l’état présent de l’univers comme l’effet de son état antérieur et comme la cause de celui qui va suivre. Une intelligence qui, pour un instant donné, connaîtrait toutes les forces dont la nature est animée, et la situation respective des êtres qui la composent, si d’ailleurs elle était assez vaste pour soumettre ces données à l’Analyse, embrasserait dans la même formule les mouvements des plus grands corps de l’univers et ceux du plus léger atome : rien ne serait incertain pour elle et l’avenir, comme le passé serait présent à ses yeux ». On a alors cru un temps la physique en voie d’achèvement, ce qui fit ainsi dire à Lord Kelvin à l’aube du XXeme siècle à ce sujet que : « There is nothing new to be discovered in physics now. All that remains is more and more precise measurement ». Les succès de la physique classique ont entrainé de profonds changements dans notre société, autant quand à notre regard sur le monde, avec le développement du scientisme, que dans ses applications, avec ainsi l’apparition d’industries et de technologies, qui, quand bien même elles nous semblent naturelles aujourd’hui, car nous avons grandi avec, ont changé le monde en leur temps4.

La relativité, une nouvelle conception du temps

Différentes expériences, que nous passerons ici sous silence, ont amené les chercheurs a complètement revoir les conceptions mécanistes d’alors. Giordano Bruno, Galilée puis Newton avaient mis en lumière la notion de relativité. Une balle lâchée depuis le mat d’un bateau en mouvement décrira une droite sur le bateau et une parabole du point de vue du quai. Quand dans un train en gare, nous voyons par la fenêtre de notre wagon le train en face de nous bouger, nous ne savons pas toujours si c’est lui ou le notre qui avance. Le mouvement est relatif, ainsi, il est indistinguable de l’arrêt, et une expérience menée dans un train sur le quai, ou en mouvement5, doit donner les mêmes résultats. C’est cela le principe, ou postulat, de relativité.

Ce postulat, ajouté à la constatation empirique de la constance de la vitesse de la lumière pour tous les observateurs, et cela indépendamment du mouvement de la source, ont conduit à des reconsidérations nécessaires concernant la structure de l’espace et du temps. Si je marche dans un train, en mouvement à une certaine vitesse, vers la locomotive, un observateur situé sur le quai me verrais me déplacer à une vitesse égale à la somme de nos vitesses respectives. Mais pourtant, quelle que soit la vitesse du train, un rayon de lumière projeté vers la locomotive nous semblera dans le train, ou depuis le quai, se déplacer à la vitesse de la lumière. La lumière se trouve ainsi se mouvoir à une vitesse constante, égale à elle même, pour tous les observateurs, et cela quels que soient les mouvements relatifs en jeu. Si cette constatation peut paraître banale, ou même sans intérêt, elle n’est cependant pas sans conséquence, car comme l’a démontré Einstein, elle implique de reconsidérer, au moins en partie, la structure intime de ce que nous appelons encore assez improprement l’espace-temps.

Relativement à une horloge resté sur terre, une horloge mesurant le temps dans une fusée à très grande vitesse, proche de celle de la lumière, battra la mesure plus lentement. Aussi, et en ce sens, on pourrait physiquement envisager des allés simples dans le futur. Quitter notre planète à très grande vitesse, et n’avoir à notre retour vieillit que de 2 ans, quand 100 000 ans s’y seront écoulés. Comme on peut le voir à travers le paradoxe des jumeaux. De même, une horloge battra la mesure plus lentement près d’un corps très massif tel un trou noir. Si tout cela est bien loin de notre expérience quotidienne, cela interroge sur la nature de la réalité, sa structure.

En creusant la question, on se rend compte que la seule interprétation possible de tout cela, la seule que l’on dispose et qu’il semble nécessaire d’accepter, est la réalité de ce qu’on appelle l’univers bloc. L’idée d’univers bloc, c’est que le passé et le futur existent, et que la réalité ne peut ainsi pas être réduite à ce flux continu qu’on appelle le présent. Ma naissance, comme ma mort, se trouvent « ailleurs » dans une structure physique qui englobe le temps. Ce flux, dans lequel je me sens immergé, est ainsi, en un sens au moins, une illusion. L’univers est en quelque sorte plus proche d’un film gravé sur CD, que d’un jeu vidéo. Ceci est bien sûr ici un point métaphysique, et qui concerne peu les physiciens dans la pratique quotidienne de leur activité, mais c’est une conséquence, à priori nécessaire, des équations qui décrivent le monde. Et il est ainsi possible que tout comme nous sommes conscient du moment présent, nous le soyons de tous les autres moments, passé et futur, de notre existence. Une sorte de conscience parallèle de soi, multiple, sans unicité et détaché du temps. Il est bien étonnant, et magnifique, que nous puissions arriver à de telles considérations a partir de la seule observation, précise, et de quelques déductions ici nécessaires. En un sens, ce qui est sera et à toujours été, identique à lui même et en dehors du temps. Si nous pouvions contempler l’univers depuis l’extérieur, nous pourrions y voir notre chemin de vie, notre naissance et notre mort, gravés à tout jamais dans une structure intemporelle. Nous sommes éternels.

La quantique, une réalité qui nous échappe

La mécanique quantique se révèle encore plus étrange. Les objets quantiques ne sont plus tellement les atomes planétaires tels qu’on peut se les représenter naïvement, et la réalité n’apparaît plus comme une construction d’objets composites. La vision Lego de la nature ne tient pas. Ainsi une particule, comme un électron, possède aussi des propriétés ondulatoires. Il peut en un sens, qui ne peut être précisé sans le formalisme mathématique adéquat, être étalé dans l’espace et interférer avec lui même.

Le formalisme quantique étendu à ses conséquences nous révèle ici un monde bien étrange. Un atome radioactif peut être dans une superposition d’états telle qu’on devra avant toute mesure le considérer comme désintégré et non désintégré. Si on étend cette réalité empirique à un chat enfermé dans une boite dont la vie dépend de l’état de l’atome, on doit alors considérer qu’il se trouve également dans une telle superposition d’états, vivant et mort à la fois. Cette dualité étrange, totalement contre intuitive, ne se trouvant réduite à une seule réalité non superposée, qu’au seul moment dit de la mesure quand un observateur en prend conscience6. Comme si la nature faisait un choix, à priori aléatoire, à ce moment là. Il y a ici une double problématique lié à la réalité quantique étendue au domaine classique et à cette question encore non résolue du problème de la mesure. Mais pour autant, si la mécanique quantique est complète, et qu’elle décrit alors correctement le monde, il nous faut aussi admettre que la réalité est une superposition gigantesque de possibles associée à des consciences de soi distinctes. On parlera alors de l’interprétation d’Everett de la mécanique quantique. Cette conséquence reste discutable, certes, mais est tout à fait concevable en l’état de nos connaissances, et se trouve être le seul moyen actuel qui nous permette de résoudre de façon acceptable les deux problèmes évoqués au dessus.

On doit aussi admettre des corrélations statistiques liés à des interférences d’ondes dites de probabilités qui sont indépendantes de toute distance spatiale entre les objets considérés. On parlera ici d’intrication quantique ainsi que de non localité à laquelle s’ajoute également une non temporalité, dans le sens ou les corrélations considérés peuvent aussi être indépendante du temps, et on parlera alors d’expériences à choix retardé, ou de rétroaction implicite dans le temps.
Tout ceci peu paraître assez obscur pour qui n’a pas étudié suffisamment ces questions. Et je n’entrerais pas plus dans ces considérations liés au paradoxe EPR, et je n’éclaircirais pas ici ce qu’est une onde de probabilité ou une fonction d’onde. Ce qu’il semble la aussi ressortir de ces expériences, c’est d’une part, sans démontrer l’existence ici de l’univers bloc, une sorte de préexistence, au moins locale, du futur, et avec la non localité, la possibilité que le temps tout comme l’espace, ne soient qu’une réalité émergente conséquence d’une structure sous jacente qui ne serait ni spatiale, ni même temporelle, mais virtuelle en quelque sorte.

A ce stade, nous aurions un univers bloc intemporel, superposition d’un ensemble d’univers possibles qui existeraient soit en acte soit en puissance (au sens d’Aristote, une question ouverte lié au problème de la mesure), et conséquence ici d’une réalité à la structure indéterminée, mais à priori non spatiale et non temporelle. Ceci étant dit, il faut par ailleurs se garder de toute conclusion hâtive. Seulement pouvons nous dire à ce stade ne pas comprendre encore la structure de la réalité mais en percevoir quelques lueurs qui nous donnent aujourd’hui cet espoir. Nous sommes au moins certain qu’elle est bien éloigné de l’idée qu’on s’en faisait il y a près d’un siècle déjà. Jamais une théorie physique, n’avait autant changé la vision que l’on peut se faire de la nature.

Dérives quantiques, et considérations platoniciennes

La mécanique quantique et la relativité sont des théories complexes qui ne peuvent être correctement comprises que par les formalismes qui les décrivent. Aussi il faut prendre garde de réfléchir à leur sujet sur la base d’images imprécises sans un rattachement aux équations et aux expériences. De même qu’il faut faire attention aux interprétations hâtives, il faut faire attention aux vendeurs de bullshit quantique, qui sans connaître le moins du monde la théorie jouent sur son côté mystérieux par rapport à notre intuition classique et vous parlerons de médecine quantique, de spiritualité quantique, ou de « Comment réussir grâce à la physique quantique ». Je ne citerais personne.

Il me semble que les relativités, restreintes et générales, ainsi que la mécanique quantique, ont ouvert un champ exploratoire de métaphysique dont il serait bon que les philosophes s’emparent enfin. Bien qu’il soit regrettable qu’ils soient si peu nombreux à connaitre ces sujets à un niveau suffisamment technique. Si on peut aujourd’hui envisager une réflexion meta au sujet de la physique, ou métaphysique, c’est dans le sens contraint de développements qui partiraient de l’état de nos connaissances en physique, et non dans celui d’une métaphysique aristotélicienne structurée sur la base de concepts imprécis.

Concernant la spiritualité – puisqu’on m’a interrogé à ce sujet – il n’y a rien à dire dessus du point de vu de la physique quantique, ce n’est pas son objet. Ces questions là, Dieu et l’âme, se positionnent à l’autre bord du champ métaphysique, ce bord qui ne se situe pas à la frontière de la science actuelle. Aussi, il n’est pas possible d’y répondre. Dans le futur, quand nous aurons une meilleure acuité de ce qu’est la réalité, ces questions là pourront peut-être se poser, mais on en est encore très loin. Toutefois on peut s’interroger, au moins déjà, au sujet de la conscience. En effet, si l’univers n’est qu’un amas statique, une sorte de structure géométrique sans le moindre flux temporel, ou est la conscience ? Est-ce une illusion ? Ou quelque chose d’autre ? Comment concevoir un rapport à soi émergeant d’une structure qui depuis une considération extérieure nous semblerait totalement statique. Comme si cet objet que je tiens dans la main, statique et inchangeant, par sa seule structure, pouvait en quelque sorte, au moins considéré depuis une autre perspective, être conscient7. Il serait prématuré de conclure quoi que ce soit.

Pourtant, cette considération me trouble. Ne pouvant m’empêcher d’y voir de lointaines parentés avec le monde des idées de Platon ou le problème des qualia. Sans temps c’est un peu comme si le code d’un programme se réalisait, existait, sans le processeur qui l’exécute, du fait de sa seule potentialité. Comme si celui-ci prenait acte en raison de la logique inhérente aux instructions écrites, que les idées de Platon existaient par la cohérence qu’elles entretiennent. Ainsi les éléments d’Euclide n’ont pas besoin d’Euclide pour être vrais, il n’ont pas besoin d’un homme pour exister, et ses lois sont vrais, et aussi en ce sens sont réelles, et existent alors, indépendamment de l’univers lui même. Quand bien même on partirait de l’idée de néant, comme 1 + 1 = 2, toutes les vérités mathématiques sont transcendantes et existeraient par elles même, notre univers ne se trouvant être que l’une d’entre elles parmi un ensemble des possibles. Notre univers ne serait-il ainsi qu’une « émanation » d’un monde des idées plus large que nous imaginons à peine ? L’univers ne serait-il finalement en quelque sorte qu’une idée, au sens d’une entité, ou bien d’une structure logique ou d’un être nécessaire, transcendant de notre point de vue, et immanent par rapport à lui même ? Si la question de départ à un sens, il n’est pas sûr que nous soyons pour autant en mesure d’y répondre. Certains concepts, telle l’idée même d’existence, sont par ailleurs mal définis. Pour autant, il en ressort une idée peut-être intéressante. On a cru quelques siècles dans le passé, l’univers, fait de matière. Aujourd’hui, la représentation la plus avancé qu’on en ait, est sous la forme d’ondes, de champs, d’excitation de champs. Mais si comme nous l’avons vu il se pourrait que l’espace et le temps ne soient qu’émergeant, alors et en ce sens, la réalité serait d’une certaine manière « virtuelle », car conséquence d’une structure logique non spatiale. Mais pour qu’une telle structure soit plus qu’un simple bout de bois mort, il faut que l’information qu’elle traduit soit en quelque sorte dotée d’une existence propre à travers des considérations sémantiques internes et locales, et de sorte que l’existence précède à l’essence. Cette structure ne peut-être in fine que la manifestation logique et nécessaire d’une réalité plus large, et qu’on pourrait qualifier peut-être d’éthérée, et en conséquence, et en un sens aussi, totalement immatérielle, mais soumise aux contraintes d’une cohérence structurelle. L’univers n’est pas matière, mais géométrie et relations, un objet mathématique dont les fondements nous échappent encore. Il n’est pas plus ondes, champs et espace, mais une structure relationnelle que peut-être bientôt nous comprendrons enfin.

Conclusion

La nature se révèle être bien plus étrange que l’intuition immédiate que l’on peut en avoir. Il est assez magnifique qu’on parvienne, en partie au moins, à en lever un coin du voile8. Ce qu’on voit, une réalité intemporelle, peut-être indéterministe, ou peut-être multiple, et probablement discrète et composé de plus de dimensions que les trois d’espace et celle de temps qui nous sont accessibles9. En un sens, la physique moderne participe à une forme de réenchantement de la nature, même s’il nous faut admettre que nous savons pas grand chose de la réalité que nous laisse entrevoir nos équations. Nous sommes passé d’une physique purement descriptive, à une représentation du monde à porté métaphysique mais dont nous ignorons encore tout de l’ontologie de base. Ce sont ainsi ces questions, à la frontière de la physique, de la philosophie, et de la logique par ailleurs, qui m’intéressent et me passionnent.

Notes

 1 – A la plage, au camping « La sirène » d’Argelès à dévorer le long article de science et vie consacré à la relativité d’échelle de Laurent Nottale, ou bien la montagne, à lâcher de plusieurs étages une balle et une chaussure de ski pour vérifier la loi de la chute des corps. Je passe sur la boite du petit chimiste ou cette période ou je démontais tous les appareils électronique qui se trouvaient à porté de main.

 
2 – Il est intéressant de lire à ce sujet « La Structure des révolutions scientifiques » de Thomas Kuhn, et « Contre la méthode » de Paul Feyerabend, qui quand bien même je ne partage pas tous les points de vue de chacun, ils apportent un éclairage très intéressant sur la pratique de l’activité scientifique.

 
3 – Loin de moi le propos ici de tenter de décrire ou même seulement de définir ce qu’est la réalité, et encore moins, certainement, la notion d’existence. L’emploi ici de ces termes est à prendre en un sens totalement intuitif.

 
4 – De même, c’est à la mécanique quantique que nous devons le transistor, et donc l’ordinateur, sans quoi nous ne pourrions avoir internet, ainsi que le web inventé par Tim Berners-Lee pour faciliter les travaux des physiciens du CERN. Enfin, c’est à Einstein que nous devons la relativité générale, et donc le GPS.

 
5 – Il conviendrait ici pour plus de rigueur de parler de mouvement inertiel, ou rectiligne et uniforme. Mais je préfère ne pas encombrer ici le texte de précisions nécessaires mais inutiles au sens de ce qu’il nous intéresse d’illustrer.

 
6 – Les interrogations liés à l’apparente « nécessité d’une conscience » au moment de la mesure peuvent paraître absurdes, pour autant elles ont été l’objet de débats très sérieux et ces questions ne sont pas tout à fait closes.

 
7 – Ou dit autrement : l’encre peut-elle penser dans un verre d’eau ? Ainsi formulée, cette question peut paraître absurde. Mais si une pensée peut se représenter par quelques motifs électriques générés entre les neurones de notre cerveau, il doit exister au moins en puissance des configurations de l’encre qui lui sont équivalentes. Peut-on pour autant les qualifier de pensées ? Peut-on considérer qu’une suite d’états d’une machine de Turing puisse représenter une pensée ? Au fond, c’est peu ou prou la même question. Si « je pense » est identifiable à un « motif neuronal », un tel motif doit pouvoir se retrouver en théorie, en faisant éventuellement fi de considérations quantitatives telles que le nombre minimal nécessaire de neurones impliqués, dans la diffusion d’une goutte d’encre dans de l’eau, mais il ne serait pas beaucoup plus proche d’un processus pensant, que pourrait l’être les mots « je pense », écris sur une table à partir d’un bol de vermicelles alphabet renversé. A bien y penser, il n’existe probablement pas de limite, sinon arbitraire, entre le « je pense » d’un bol de vermicelle et celui de Descartes, juste une sorte d’échelle de complexité croissante qui amène à la création de motifs plus riches, tandis que nos cerveaux ne sont au fond guère plus que des gouttes d’encre dans de l’eau. Une pensée structurée qui émerge, vie et disparait dissoute dans l’entropie de l’univers, rien de plus, et c’est déjà tellement autre chose.

Il faudrait souligner ici quelques liens avec l’entropie, et voir aussi que de l’extérieur, une pensée n’en est jamais une, et peu, au moins à priori, être ramenée à de l’électricité circulant au travers de neurones ou de portes logiques à base de transistors, obéissant ainsi aux seules lois de la physique. L’idée même que nous pensions, est en ce sens, une sorte de « création de l’esprit », une illusion individuelle et collective, ou à l’inverse pourrions nous dire que tout processus physique est calcul, et que tout calcul est pensée. En ce sens alors, peut-être devons nous admettre, nous le devons nécessairement, que l’univers est un être pensant, et qu’il est, au moins à travers nous, un être conscient.

D’une certaine manière, plus poétiquement, nous sommes comme ces formes que nous voyons dans les nuages, comme elles nous n’existons que dans notre imagination, ou conscience. Aussi un être regardant l’univers depuis l’extérieur n’y verrait vraisemblablement qu’une sorte de « soupe quantique », mais en y regardant d’assez prêt, en en évaluant localement l’entropie, peut-être imaginerait-il à son tour des êtres plein de rêves, s’inventant des dieux, se faisant la guerre ou s’aimant passionnément.

 
8 – Une allusion ici à la citation d’Einstein « The most incomprehensible thing about the universe is that it is comprehensible », et à ces propos quand à la thèse de De Broglie.

 
9 – Je n’ai pas discuté ici de ces points qui demanderaient plus de développement. Diverses observations, et les modèles qui sont élaborés pour comprendre la nature, la gravitation quantique à boucles et la théorie des cordes nous amènent à penser que l’espace et le temps puissent être discrets et la nature nécessiter plus de dimensions que celles que nous observons. Ce pourrait être là de simples artifices mathématique, ou bien des propriétés réelles de la nature.