Texte écrit par le prix Nobel en physique (1973) Brian Josephson. Ce texte ardu et excessivement résumé est un exemple des nouvelles approches visant à unifier matière et esprit.
Traduction libre
16 juin 2021
RÉSUMÉ
David Bohm a suggéré qu’une sorte d’ordre implicite sous-tend l’ordre manifeste observé dans les systèmes physiques, tandis que d’autres ont suggéré qu’une sorte de processus semblable à l’esprit sous-tend cet ordre. Dans ce qui suit, une image plus explicite est proposée, basée sur l’existence de parallèles entre les états d’équilibre spontanément fluctuants et les processus de vie. L’accent mis sur les processus du langage naturel suggère une image impliquant un ensemble évolutif d’experts, chacun ayant ses propres objectifs, mais agissant néanmoins en harmonie les uns avec les autres. Les détails du fonctionnement et de l’évolution d’un tel ensemble peuvent se traduire par des aspects du monde de la physique fondamentale tels que la symétrie et la rupture de symétrie, et on peut s’attendre à ce qu’ils soient la source de modèles explicites. Cette image diffère de celle de la physique ordinaire en ce sens que l’orientation vers un but a un rôle important à jouer, contrairement à la vision conventionnelle qui implique un univers dénué de sens.
INTRODUCTION
Stephen Hawking a déclaré en 2000 : « Je pense que le siècle prochain sera le siècle de la complexité ». La raison pour laquelle il a dit cela n’est pas claire, mais il est probable qu’il ait trouvé le sujet de la complexité intéressant et qu’il ait pensé qu’il avait beaucoup de potentiel. Dans ce qui suit, nous soutenons que la complexité est importante en physique d’une manière qui n’aurait probablement pas été envisagée par Hawking, et que l’approche conventionnelle d’une « théorie du tout » est susceptible d’être remplacée par une approche où la logique des systèmes complexes joue un rôle central, les aspects de la réalité impliquant des systèmes complexes sous-tendant les lois familières de la physique de la même manière que les descriptions impliquant des atomes et des molécules sous-tendent les types de comportement associés aux explications macroscopiques du comportement tels que ceux de l’hydrodynamique. Plutôt que d’être figées dans le temps, les lois de la physique apparaissent progressivement, en fonction de leur efficacité à atteindre des objectifs particuliers ce qui amène, contrairement à la physique conventionnelle, l’implication d’un sens et d’un objectif à un niveau fondamental.
Dans ce qui suit, le thème de la dynamique de coordination [1] joue un rôle clé. Il a été suggéré dans ce contexte, sur la base de preuves expérimentales, que les systèmes vivants gèrent la complexité sur la base d’une organisation impliquant des synergies, une référence à des groupes d’entités interagissant les uns avec les autres de manière à agir comme des unités fonctionnelles, cette fonctionnalité émergeant à la suite de la modification des interactions internes en réponse au feedback, une forme de processus d’apprentissage. Ce qui est moins clair, c’est la manière dont un tel ordonnancement local peut aboutir à une construction globale très efficace malgré sa complexité. Sur la base de l’examen du phénomène du langage naturel, nous ferons valoir qu’il s’agit ici d’un ensemble évolutif d’experts travaillant en harmonie les uns avec les autres.
À cet égard, la question de la flexibilité du comportement s’avère cruciale, car les systèmes inflexibles sont peu efficaces, mais cette flexibilité ou variabilité ne doit pas être excessive, car un comportement fiable exige un certain degré de prévisibilité. Les experts impliqués doivent donc parvenir à concilier variabilité et inflexibilité, un aspect essentiel de la conception en général. Par exemple, lorsque je tape les mots de ce document, il est nécessaire que les caractères apparaissant dans le document soient les mêmes que ceux que je tape sur mon clavier (inflexibilité), alors que d’un autre côté, les caractères que je saisis ne sont pas tous les mêmes (variabilité). La nécessité de parvenir à une fusion de ces aspects complémentaires limite fortement les possibilités de modification du système dans le temps. Ces considérations indiquent un aspect essentiellement mathématique de la conception, plus pertinent dans le contexte de la physique que dans celui de la biologie, puisque l’uniformité dans des situations variables est une caractéristique centrale des mathématiques.
Le lien entre les systèmes biologiques et la physique fondamentale est établi sur la base de parallèles instructifs entre les systèmes vivants et les systèmes en équilibre, qui partagent la caractéristique de persister dans le temps d’une manière ou d’une autre. Le phénomène de cristallisation rend ces parallèles plus clairs : une unité cellulaire peut être considérée comme une collection (synergie), dont l’expertise consiste à être capable d’organiser les mouvements d’autres atomes de telle sorte que des copies de l’original en résultent. Ce que nous envisageons, c’est une version plus compliquée de la même chose, avec une série d’experts travaillant en harmonie les uns avec les autres, comme cela a été évoqué. Nous allons maintenant aborder ces questions plus en détail.
ÉQUILIBRE, EXPERTISE ET HARMONIE
Comme nous l’avons déjà noté, les états d’équilibre partagent avec la vie la caractéristique de persister dans le temps. Cette persistance n’est pas automatique, elle implique un ensemble complexe de mécanismes dans le cas de la vie. Le facteur clé est que le maintien d’un état donné peut impliquer ce que l’on pourrait appeler une expertise, ou plus généralement l’activité de collections d’experts, chacune avec sa propre spécialité. La dynamique de coordination, comme nous l’avons vu, postule une organisation impliquant des unités fonctionnelles connues sous le nom de synergies, qui, selon certains, émergent par le biais de processus d’auto-organisation impliquant une rétroaction qui part du comportement d’une unité aux interactions entre les composants.
Un certain nombre de détails sur la façon dont cela fonctionne en pratique ont émergé dans le domaine. Par exemple, le concept d’attracteur est important, car les attracteurs d’un système ont moins de degrés de liberté que le système dans son ensemble, et c’est ce facteur qui fait que le système agit comme une unité plutôt que comme une collection de composants au comportement plus aléatoire. Mais la situation se complique dans la mesure où des influences extérieures peuvent modifier le comportement associé à l’attracteur, par exemple en le faisant passer d’un type de comportement à un autre, une situation connue sous le nom de multistabilité. Un tel comportement a été modélisé mathématiquement en termes d’une équation connue sous le nom d’équation d’Haken-Kelso-Bunz (HKB), illustrant le fait que les relations mathématiques peuvent être d’une pertinence considérable dans le contexte de la vie. De telles modifications de comportement font partie du fonctionnement efficace du système dans son ensemble, comme nous le verrons dans le contexte du langage naturel, en fournissant un mécanisme d’adaptabilité (illustrant à nouveau la conciliation de la variabilité et de l’inflexibilité, puisqu’il s’agit d’un système unique ayant la capacité de fonctionner de plus d’une façon).
Il a été noté dans ce qui précède que la cristallisation et la vie peuvent toutes deux être considérées comme le résultat d’experts travaillant en harmonie les uns avec les autres. Les résultats diffèrent en ce sens qu’un cristal est en fait un résultat statique alors que la vie est un résultat dynamique, le cristal ayant une structure de fond fixe (la maille), alors que les systèmes biologiques ont une structure qui varie constamment, ne restant relativement fixe qu’en termes statistiques. Il existe en outre une différence plus subtile liée au temps, dans la mesure où l’expertise biologique implique une anticipation, qui n’est normalement pas pertinente dans le cas de l’équilibre des systèmes physiques.
Il existe une similitude entre l’organisation discutée dans la dynamique de la coordination et celle des logiciels informatiques, dans la mesure où toutes deux impliquent des collections d’unités fonctionnelles travaillant en harmonie les unes avec les autres. Mais dans le cas des logiciels informatiques, les recherches du programmeur sont à l’origine du logiciel. L’organisation de la vie peut-elle être expliquée de la même manière ? Pour répondre à cette question, nous nous tournons vers le phénomène du langage, un système qui est à la fois efficace et compliqué, et qui se prête facilement à une étude détaillée.
LE PHÉNOMÈNE DU LANGAGE
Le concept d’une collection d’experts travaillant en harmonie a été inspiré par l’étude d’une simulation informatique de la compréhension du langage due à Winograd [2]. Le logiciel fonctionne dans un « monde de blocs » simulé et est capable de répondre de manière appropriée à des phrases assez compliquées, telles que la question « existe-t-il quelque chose qui soit plus grand que chaque pyramide, mais moins large que ce qui la soutient ? Ce concept a été créé en appliquant une approche fonctionnelle à l’étude de la structure du langage, qui prend en considération ce qui est accompli par des caractéristiques spécifiques du langage (par opposition à l’approche plus conventionnelle qui se concentre simplement sur la structure du langage en tant que telle). Le programme a été conçu pour simuler une telle fonctionnalité en reproduisant l’activité des processus individuels concernés, y compris les liens entre eux. On pourrait le caractériser comme une collection d’experts (les fonctions individuelles définies dans le logiciel) travaillant en harmonie les uns avec les autres, dans la mesure où chaque expert est capable d’atteindre ses objectifs spécifiques sans perturber les performances des autres experts.
L’objectif du programme de Winograd n’était pas d’aborder la question du développement du langage, mais sa structure et son organisation donnent un aperçu de la manière dont cela a pu se produire. Il est pertinent à ce stade d’introduire les idées de Charles Sanders Peirce [3], qui a étudié le concept des systèmes de signes en général. Son idée clé est que ces systèmes ont un caractère triadique, impliquant un troisième système qui sert de médiateur aux interactions de deux autres, facilitant ainsi leur coopération. Dans sa sémiotique, il a étudié en détail les différentes manières spécifiques dont ce processus se produit, ce qui, dans la terminologie actuelle, pourrait être désigné comme la manifestation de variétés d’expertise.
Nous supposons maintenant que l’utilisation d’une langue par les individus implique, comme le suggère la simulation informatique, l’activité collective de collections organisées d’experts, chaque expert étant spécialisé dans son propre aspect de la langue. À tout moment, de telles collections sont capables d’assurer une communication efficace entre les individus d’une manière qui nécessite la capacité des experts individuels à travailler ensemble (l’harmonie inter-expert évoquée), une contrainte forte. La question est alors de savoir comment le système est capable de passer d’une collection efficace à une autre. Une caractéristique du programme, ayant une affinité avec la multistabilité, semble être la solution au dilemme, dans la mesure où le fonctionnement du programme impliquait l’utilisation systématique d’alternatives, chacune impliquant une alternative par défaut dans une situation donnée, en conjonction avec une alternative qui est utilisée si ce défaut est inefficace. Puisqu’une telle alternative est immédiatement disponible, cette stratégie prend moins de temps que ne le ferait une recherche plus large. Mais dans la perspective actuelle, bien que cela n’ait pas été prévu dans le fonctionnement du programme, la stratégie facilite en outre l’évolution de l’ensemble du système, dans la mesure où la disponibilité d’alternatives permet l’expérimentation, la recherche de la nouveauté donnant lieu à des alternatives qui, si elles sont suffisamment réussies, peuvent devenir le défaut.
Cette image, basée sur la multistabilité, explique comment il est possible d’avoir un système très efficace malgré sa complexité, puisqu’elle permet une évolution progressive, passant d’une situation relativement stable, impliquant un mécanisme efficace compliqué, à une autre basée sur un mécanisme modifié tout aussi efficace, avec un mode exploratoire intermédiaire pour lequel les normes exigées sont moins élevées.
PHYSIQUE FONDAMENTALE ET THÉORIE CIRCULAIRE
La question se pose maintenant de savoir comment adapter l’image ci-dessus pour en produire une où, comme dans le concept d’« observateur-participant » de Wheeler [4], les lois de la nature émergent avec le temps au lieu d’être absolues comme dans l’image conventionnelle. Guha Majumdar [5] a proposé comme origine la présence d’un « champ unifié fondamental » en arrière-plan, une sorte d’état d’équilibre préexistant à tout univers et où s’appliquent des lois physiques spécifiques. De même, Yardley [6] a postulé un « pi » qui « produit de la stabilité et de la fiabilité pour la réalité, qui, en soi, est nettement instable et peu fiable ». Yardley établit un lien avec la théorie des signes de Peirce, ce qui implique que son pi a la capacité de répondre aux signes ou aux modèles présents de manière appropriée. Un tel système en arrière-plan aurait, comme le langage, le potentiel d’évoluer de manière à devenir un mécanisme d’organisation très efficace.
L’examen des écrits de Yardley montre des parallèles instructifs avec la dynamique de la coordination. Son « une entité devenant deux et vice-versa » correspond aux bifurcations qui jouent un rôle dans la dynamique de la coordination. Son mystérieux « chaque ligne est le diamètre d’un cercle », lorsqu’il est examiné attentivement (et en tenant compte également de la correspondance avec l’auteur), apparaît comme une référence au fait qu’une variable de phase est impliquée, correspondant à l’orientation du diamètre d’un cercle spécifique. Cette connexion de base est attribuée à son « pi », qui joue un rôle analogue au « tiers » de Peirce, en ce sens qu’il sert de médiateur pour les relations entre les autres. Le résultat est une dynamique oppositionnelle : deux systèmes distincts fonctionnant comme un seul, par exemple deux personnes travaillant ensemble pour atteindre un but quelconque, ou des signes et leurs références travaillant ensemble pour atteindre un résultat qui est le but de l’utilisation du signe.
Ce qui précède peut être résumé de la manière suivante. Les systèmes complexes ont tendance à s’auto-organiser de manière à impliquer des relations triadiques, comme le propose Peirce. Un aspect de ce phénomène qui n’a pas été pris en compte par Peirce, mais qui est implicite dans la dynamique de coordination, implique des relations de phase, également impliquées dans la triade ligne-cercle-pi de Yardley. Cela peut également être lié aux « experts travaillant en harmonie » suggérée par notre examen du programme de Winograd, cette harmonie pouvant également être liée à la manière dont la phase peut agir comme un paramètre d’ordre caractérisant les groupes individuels. Cela favorise en outre la flexibilité souhaitée, puisqu’une entité cohérente caractérisée par un seul paramètre de phase peut facilement devenir une paire d’entités cohérentes avec des fréquences différentes, dont les mathématiques peuvent être caractérisées par l’équation HKB.
Dans son livre, Yardley souligne l’omniprésence de ses cercles. Cela peut sembler curieux, mais les physiciens d’aujourd’hui n’ont aucun problème avec les cordes vibrantes omniprésentes, admettant qu’elles peuvent être des entités ouvertes ou fermées analogues aux lignes et aux cercles, ainsi que des versions plus compliquées de celles-ci connues sous le nom de branes. Peut-être l’invocation par Yardley des triades peircéennes nous indique-t-elle ce qui se passe réellement sous la surface.
Un phénomène intriguant qui présente certains parallèles avec ce qui précède est l’observation [7] que l’eau liquide répond sélectivement aux signaux auditifs, générant une gamme de motifs, ce qui suggère que l’eau elle-même a des états fonctionnant dans une certaine mesure de manière similaire à ceux discutés ici, en termes de spécificité de leurs réponses aux perturbations.
QUELLES IMPLICATIONS ?
Une modélisation conforme à ces idées devrait être possible de manière similaire à la modélisation actuelle des processus cérébraux et des réseaux neuronaux, mais cela pour une étude future. Cependant, même à l’heure actuelle, il est possible d’en avoir un aperçu, notamment en ce qui concerne la symétrie et les concepts connexes. La symétrie découle du fait que si quelque chose est invariant en réponse à un ensemble particulier de transformations, alors ce qui est appris dans une situation peut être applicable dans des situations connexes si les transformations pertinentes sont appliquées. C’est ce fait qui permet d’être expert dans une grande variété de situations, cela étant possible à l’occasion de produire cette invariance en ajustant un certain paramètre. Un expert d’une compétence est quelqu’un qui, en échantillonnant un nombre suffisant d’instances de cette compétence, a été capable de régler correctement les paramètres de cette manière. L’invariance simple peut dans certains cas être étendue à l’invariance sous les opérations d’un groupe de symétrie, comme cela peut être obtenu simplement en réalisant l’invariance sous un ensemble d’opérateurs qui peuvent générer le groupe.
Le concept de variété intervient naturellement dans ce contexte, puisque les groupes peuvent être associés à des opérations sur des points d’une variété intégrée dans un espace associé aux degrés de liberté disponibles d’un système particulier. Nous pouvons donc nous attendre à ce que les variétés et les symétries entrent naturellement dans le présent contexte. La rupture de symétrie est également pertinente, car, une fois la symétrie atteinte, la rupture de symétrie fournit des degrés de liberté supplémentaires qui peuvent être explorés pour faire évoluer l’ensemble du système.
CONCLUSIONS
Ce qui précède a démontré la possibilité d’une image de la réalité fondamentale radicalement différente de celle de l’orthodoxie actuelle, obtenue simplement en adaptant le type d’organisation présent dans la vie aux situations d’équilibre. Il contourne les difficultés habituelles liées à la tentative de créer une théorie combinant la gravitation avec les autres forces en affirmant qu’il n’y a pas d’unification du type conventionnel : la gravité est très différente des autres forces et découle de mécanismes très différents, et toute unité apparente qui découle de la présence du champ unificateur postulé n’est pas régie par une équation spécifique comme l’exige l’approche de la « théorie du tout ».
Néanmoins, certains aspects de l’image actuelle peuvent rester valables, comme par exemple les aspects de symétrie discutés ci-dessus. Par exemple, les cordes de la théorie des cordes peuvent être reliées aux unités synergétiques de l’alternative proposée, et il se pourrait bien que d’autres aspects de la vision conventionnelle puissent de la même manière être fondés dans la perspective alternative présentée ici. D’autre part, cette nouvelle perspective diffère de la perspective habituelle en ce que, dans cette image, nous ne vivons pas dans un univers dénué de sens, mais dans un univers où la finalité joue un rôle majeur, ce qui peut avoir de profondes implications. Il est à espérer que des explorations futures, impliquant éventuellement des simulations informatiques, permettront de clarifier ces questions.
REMERCIEMENTS
Je tiens à remercier le Dr Mrittunjoy Guha Majumdar pour les discussions qui ont servi dans une large mesure de point de départ aux idées présentées ici, notamment celles de l’état d’équilibre fondamental et du rôle joué par les degrés de liberté. Je suis également redevable à Scott Kelso et Ilexa Yardley pour des discussions instructives.
______________
1 Kelso, S. Coordination Dynamics.
2 Winograd, T. Understanding Natural Language
3 Peirce, C. S. Peirce’s Theory of Signs
4 Wheeler J., Law without Law
5 Guha Majumdar, M. Unified • ? Field: How Self-Selected Fluctuations can underlie Reality.
6 Yardley, I. The Circular Theory
7 Reid, J. S. Cymatics and the Cymascope