Mario Hubert
La nature des lois naturelles

Aujourd’hui, les physiciens et les philosophes ont élaboré trois modèles opposés pour expliquer le fonctionnement des lois. Lequel est le meilleur ? Le soleil se lève tous les jours. L’eau bout à 100°C. Les pommes tombent au sol. Nous vivons dans un monde où les objets se comportent de la même manière dans les mêmes circonstances. […]

Aujourd’hui, les physiciens et les philosophes ont élaboré trois modèles opposés pour expliquer le fonctionnement des lois. Lequel est le meilleur ?

Le soleil se lève tous les jours. L’eau bout à 100°C. Les pommes tombent au sol. Nous vivons dans un monde où les objets se comportent de la même manière dans les mêmes circonstances. Nous pouvons imaginer vivre dans un monde différent : un monde en perpétuel changement, un monde dans lequel le soleil ne se lève pas tous les jours, un monde dans lequel l’eau bout un jour à 50°C et à 120°C un autre jour, un monde dans lequel les pommes tombent parfois des arbres et s’élèvent parfois dans le ciel. Ce n’est que parce que nous vivons dans un monde qui présente des régularités stables que nous pouvons façonner notre environnement et planifier notre vie de manière fiable.

Nous avons l’intuition que ces régularités sont dues à des lois de la nature, mais nous ne nous interrogeons généralement pas sur la nature de ces lois et sur leur fonctionnement au sens métaphysique du terme. Au lieu de cela, nous supposons que la science non seulement fournit ces lois, mais aussi élucide leur structure et leur statut métaphysique, même si les réponses semblent souvent incomplètes dans le meilleur des cas. En bref, nous supposons que, grâce à la science, il existe une sorte de recette pour expliquer le fonctionnement des lois de la nature. Vous prenez l’état de l’univers à un moment donné — chaque fait sur chaque aspect de l’univers — et vous le combinez avec les lois de la nature, puis vous supposez que ces dernières révéleront, ou du moins détermineront, l’état de l’univers au moment suivant.

C’est ce que j’appelle le modèle de l’univers en couches, qui remonte à René Descartes, philosophe du XVIIsiècle. Peu de temps après que Descartes ait adopté l’idée d’un univers déterministe, Isaac Newton a présenté une loi mathématique pour la gravitation, qui a donné au concept une puissante mise à jour quantitative. La force gravitationnelle exercée sur un corps à un moment donné est déterminée par l’emplacement de tous les corps dans l’univers à ce moment-là ; l’état de l’univers plus la loi de la gravitation indiquent comment tous les corps se déplaceront : un véritable modèle en couches.

L’influence de Descartes et de Newton sur la façon dont nous concevons les lois de la nature est immense — et non sans raison. Elle a contribué à unifier des domaines entiers de la physique, notamment la mécanique, la gravitation et l’électromagnétisme. Ce modèle est encore si répandu dans la communauté scientifique, et son prestige est si éminent, que les scientifiques ne se rendent parfois même pas compte qu’ils adhèrent au modèle du gâteau à couches.

Mais la vérité désagréable est qu’il existe de nombreux aspects de la physique moderne qui semblent fournir des contre-exemples à ce modèle. Jusqu’à présent, certaines alternatives n’ont occupé qu’une niche marginale en physique. Mais elles devraient être étudiées plus en profondeur et mieux comprises, car elles posent des défis majeurs à notre compréhension fondamentale de l’Univers — comment il a commencé, où il va, et quel type d’entité, s’il y en a une, le dirige.

La théorie de la relativité générale d’Albert Einstein, premier défi de taille au modèle en couches, est apparue au 20siècle. Les lois de la nature qui sont au cœur de la théorie de la relativité générale, les équations de champ d’Einstein, ne se prêtent pas du tout au modèle en couches.

La différence est visible dans la structure des mathématiques elles-mêmes. Une équation qui adhère au modèle en couches décrit les changements qui se produisent dans l’espace en termes de causes sous-jacentes à ces changements. Par exemple, l’équation de Newton pour sa deuxième loi du mouvement décrit l’accélération des corps physiques en termes de forces sous-jacentes causant cette accélération. Les équations du champ d’Einstein, en revanche, décrivent la structure même de l’espace-temps comme l’agent de changement des corps physiques en mouvement ; en fait, la plupart des solutions aux équations du champ d’Einstein donnent une structure de l’espace-temps incompatible avec le modèle en couches. Face à ce défi, les physiciens font quelque chose de très révélateur : ils recherchent spécifiquement des solutions aux équations du champ d’Einstein qui correspondent au modèle en couches, et ils excluent les solutions qui ne correspondent pas au modèle en les qualifiant de « non physiques », c’est-à-dire d’artefacts mathématiques qui ne nous apprennent rien sur la réalité, ou du moins, pas sur la réalité dans laquelle nous vivons.

La physique a de nombreuses théories dans lesquelles le futur semble influencer le passé d’une manière ou d’une autre

Dans le cas de la relativité générale, il existe de bonnes raisons de procéder ainsi, mais dans d’autres cas, il est plus difficile de rejeter le défi que représente le modèle en couches. En mécanique classique, par exemple, il existe ce que l’on appelle la formulation lagrangienne, selon laquelle, lorsqu’un corps physique se déplace entre deux points distincts, A et B, il emprunte le chemin le plus efficace. Cela ne ressemble pas au modèle en couches, car, pour que le corps physique emprunte le chemin le plus efficace, le point B, qui se trouve dans le futur, doit être déterminé à l’avance. Il semble, de manière contre-intuitive, que ce soit le futur qui détermine le mouvement du corps dans le passé.

Aussi étrange que cela puisse paraître, il s’avère que l’on peut dériver les équations newtoniennes familières du mouvement à partir de la formulation lagrangienne. C’est pourquoi les scientifiques considèrent souvent que la version newtonienne, qui est conforme à la théorie des couches, reflète la véritable structure du monde. La version lagrangienne est considérée comme une reformulation mathématique intéressante et parfois pratique, mais jamais métaphysiquement exacte.

Mais la formulation lagrangienne n’est qu’un début. La physique compte de nombreuses autres théories dans lesquelles le futur semble influencer le passé d’une manière ou d’une autre. Les particularités de la mécanique quantique ont conduit au développement de modèles dits rétrocausaux. Et des géants de la physique du milieu du siècle dernier comme John Archibald Wheeler et Richard Feynman ont élaboré une théorie de l’électromagnétisme classique qui dit en substance que les charges futures envoient des signaux lumineux dans le passé.

Je ne prétends pas que l’une ou l’autre de ces alternatives au modèle de l’Univers en couches soit correcte, mais elles méritent d’être étudiées plus en profondeur. La porte a été ouverte à l’étude d’autres façons d’appliquer les lois dans l’univers.

Dans la philosophie actuelle, le modèle du « layer cake (gâteau à couches) » a été défendu par le philosophe Tim Maudlin, professeur à l’université de New York. Dans son livre The Metaphysics Within Physics (2007), il énumère deux caractéristiques métaphysiques fondamentales : les lois sont des entités primitives et les lois produisent le futur à partir de l’état du présent. Dans ce contexte, « primitif » signifie non réductible à quoi que ce soit d’autre, ou autonome. Les lois primitives existent donc par elles-mêmes, et elles n’existent pas en tant qu’objets concrets, comme des tables ou des voitures, dont nous pouvons faire l’expérience et que nous pouvons manipuler avec nos sens, mais plutôt en tant qu’entités abstraites, semblables aux nombres. Un problème se pose immédiatement : comment les lois peuvent-elles influencer un objet physique dans le monde ?

En principe, nous sommes confrontés à un problème similaire avec les lois juridiques : comment ces lois abstraites, adoptées par un parlement, peuvent-elles influencer notre comportement ? Mais la réponse est simple : une fois que nous sommes informés d’une loi et que nous la comprenons, nous pouvons choisir de la respecter. Le fait que nous puissions choisir de suivre la loi signifie que nous sommes libres de ne pas la suivre.

Or, on dit que les lois de la nature n’influencent ni ne produisent rien dans le monde

Les lois de la nature sont différentes. Un électron n’est pas libre de ne pas suivre les lois (même si elles sont indéterministes) et, plus important encore, la façon dont les lois, en tant qu’entités abstraites primitives, sont capables de dire à l’électron ce qu’il doit faire est tout à fait mystérieuse.

Afin d’atténuer le problème de l’obéissance des électrons aux lois, le philosophe David Lewis a proposé une autre conception des lois, baptisée « Humeanisme des lois », en souvenir de David Hume.

Dans An Enquiry Concerning Human Understanding (Enquête sur l’entendement humain, 1748), Hume pose le problème concernant la notion de causalité. Il illustre ce problème par la collision de boules de billard. Lorsque la boule de billard A heurte la boule de billard B, initialement au repos, nous observons que la boule B se déplace après la collision ; nous disons que la boule A a provoqué le déplacement de la boule B. Cela ne semble pas poser de problème. Au moins, nous savons qu’en raison de la relation de causalité entre les deux boules, chaque fois que la boule A frappe la boule B, cette dernière se déplace. Mais comment la causalité lie-t-elle le mouvement de la boule A au changement de mouvement de la boule B, de sorte que la boule B se comporte toujours de la même manière lorsque la boule A entre la percute ? Pour Hume, cette question n’a pas de réponse. En tant qu’êtres humains, nous ne pouvons pas observer directement ce lien de causalité ; tout ce que nous pouvons observer, c’est le mouvement constant de la boule A et le mouvement successif de la boule B. Et c’est tout ce que nous pouvons dire avec certitude à propos de la causalité.

Lewis a transformé cette conclusion épistémique en une conclusion ontologique. Non seulement nous ne savons pas exactement comment les lois influencent les objets physiques, mais on dit désormais que les lois de la nature n’influencent ni ne produisent rien dans le monde. Le modèle en couches est une pure fiction. Au contraire, les lois de la nature décrivent effectivement ce qui se passe dans le monde. Elles décrivent les faits dans le monde, comme un article de journal rapporte des faits dans le monde. Par conséquent, pour souligner l’idée principale de cette proposition, je l’appellerai le modèle du journal des lois de la nature.

Le modèle du journal est probablement la théorie des lois de la nature la plus populaire parmi les philosophes professionnels et attire actuellement de nombreuses recherches actives. Il est si attrayant parce qu’il est métaphysiquement mince : il n’existe aucune relation de production mystérieuse et inexpliquée comme l’exige le modèle du gâteau en couches. Les lois ne font que résumer l’histoire des objets physiques.

Le modèle du journal est cependant confronté à son propre problème. Puisqu’il n’y a pas de relation de cause à effet entre les objets dans le monde, il n’y a aucune raison pour que la boule de billard B bouge lorsqu’elle est frappée par la boule de billard A. Elle pourrait simplement rester au repos ou bouger sans être frappée ou se briser en plusieurs parties ou simplement disparaître dans l’air. Tout est possible. Si tel était le cas, les lois de la nature changeraient constamment parce qu’elles décriraient des faits changeants dans le monde. Pourtant, la boule B se comporte toujours de la même manière, et les lois restent elles aussi inchangées. Comment cela est-il possible ?

Cette faiblesse métaphysique doit être accompagnée par le principe de l’uniformité de la nature de Hume. C’est un fait primitif inexpliqué dans le modèle du journal que le monde se comporte toujours de la même manière ; la boule de billard B se déplace toujours de la même manière lorsqu’elle est frappée par la boule de billard A, même si rien ne dit à la boule B de se comporter ainsi. Lewis reprend Hume lorsqu’il écrit que « si la nature est favorable, le problème ne se posera pas ». En d’autres termes, tout comme dans le modèle du gâteau en couches, les lois de la nature restent les mêmes au fil du temps et conservent leur structure dans le modèle du journal.

Le bon sens serait d’accord. Le passé détermine le présent, et le présent détermine le futur

Par exemple, les lois de Newton restent telles qu’elles ont été écrites par Newton, qu’elles soient interprétées comme produisant le futur ou comme décrivant le monde. La formulation de la loi ne permet pas de voir quel est son fondement métaphysique. Du moins, pas sans informations supplémentaires.

Toutes les lois scientifiques sont compatibles avec le modèle du journal, y compris les lois de Newton qui nous disent que l’état futur du monde peut être calculé et déduit de l’état actuel tout comme l’état actuel a été produit à partir du passé. Comment le modèle du journal peut-il soutenir une formulation d’une loi qui ressemble au modèle du gâteau en couches ? Cela se justifie par l’idée que les lois de Newton constituent la description la plus efficace du monde (dans le cadre de la physique newtonienne), en conciliant simplicité et information. Il pourrait être possible de décrire le mouvement des planètes d’une manière différente. Par exemple, vous pourriez créer une longue liste contenant les heures et les coordonnées spatiales exactes des planètes ; une telle liste serait très informative (plus informative que les lois de Newton), mais elle serait trop compliquée. Le meilleur équilibre entre simplicité et information pour décrire le mouvement des planètes est exactement la façon dont Newton a formulé ses lois.

En effet, toutes les lois scientifiques ne sont pas compatibles avec le modèle du « layer cake », qui veut que l’état passé produise l’état présent et que l’état présent produise l’état futur. Pour que cela ait un sens, Maudlin ajoute une troisième caractéristique : la stipulation d’un écoulement (ou flux) primitif du temps indépendant des lois. Le bon sens est d’accord. Le passé détermine le présent et le présent détermine le futur.

Mais en physique et en philosophie, un écoulement primitif du temps est très une notion controversée. Certaines lois physiques ne correspondent pas à cette structure. Les lois des modèles rétrocausaux de la mécanique quantique (dans lesquels le futur détermine le passé), par exemple, sont clairement incompatibles avec le modèle en couches et avec l’idée d’un écoulement primitif du temps. Les lois de la relativité restreinte ne correspondent pas non plus au modèle en couches, car elles défient la notion absolue de simultanéité, qui fait partie intégrante de la mécanique newtonienne.

En réaction à l’étroitesse du champ d’application du modèle en couches, le philosophe Eddy Keming Chen et le mathématicien Sheldon Goldstein, respectivement de l’université de Californie à San Diego et de l’université Rutgers, ainsi que la philosophe Emily Adlam, de l’université Chapman, ont suggéré une alternative. Les lois pourraient être primitives, mais elles ne font que limiter les possibilités physiques du monde. C’est ce que l’on appelle le modèle de la camisole de force des lois de la nature. Aucune notion de production ni de flux temporel n’est nécessaire. Tout ce que font les lois, c’est de limiter ce qui peut se produire dans le monde. Ce modèle combine les avantages du modèle du journal et ceux du modèle du gâteau à couches, en acquérant la généralité du premier tout en fournissant une raison au comportement stable et régulier du second. Nous disposons à présent d’un fondement métaphysique pour les lois rétrocausales et les lois de la relativité restreinte, car les lois, dans le modèle de la camisole de force, sont primitives et régissent le monde en limitant ce qui peut se produire.

Cependant, le modèle de la camisole de force souffre du même problème métaphysique que le modèle du gâteau en couches. Ce dernier n’était pas en mesure de rendre compte de la manière dont les lois produisent de nouveaux états. Dans le même ordre d’idées, le modèle de la camisole de force ne précise pas comment les lois peuvent limiter ce qui se passe dans le monde. Il semble à nouveau que les lois abstraites doivent se rattacher au monde réel pour indiquer aux objets physiques comment se comporter. La question de savoir comment les lois sont capables de le faire reste sans réponse.

Il semble que nous ayons besoin d’une colle métaphysique pour garantir la stabilité de notre monde

Les implications possibles pour toute forme de loi de la nature sont profondes. Le modèle en couches semble intuitivement plausible — le présent est déterminé par le passé — mais nous avons découvert qu’il exige que les lois affectent d’une manière ou d’une autre les objets dans l’espace et le temps tout en étant elles-mêmes hors de l’espace et du temps.

Étant donné que le modèle en couches est trop restrictif pour englober d’autres formulations de lois physiques, telles que la rétrocausalité et la relativité générale, le modèle de la camisole de force a été développé. Ce modèle fournit un cadre pour la rétrocausalité et la relativité générale, mais il souffre du même problème métaphysique que le modèle du gâteau en couches. Le modèle du journal, quant à lui, tente d’introduire des lois sans aucun bagage métaphysique, ce qui semble être une approche prometteuse. Pourtant, il semble que nous ayons besoin d’une colle métaphysique pour garantir le comportement stable de notre monde.

Dans ces conditions, quelle théorie des lois explique le mieux les régularités de notre monde ? Si le modèle du journal était vrai, ce serait une coïncidence constante que le soleil se lève tous les jours ou que l’eau de votre bouilloire bout à 100°C, car il n’y a aucune contrainte métaphysique sur la façon dont les objets peuvent se comporter. Contrairement à beaucoup de mes collègues, je trouve donc le modèle du journal peu convaincant pour expliquer les régularités stables. Le modèle du gâteau en couches et le modèle de la camisole de force s’en sortent mieux à cet égard. L’avantage du modèle de la camisole de force est qu’il est suffisamment général pour capturer des lois de la nature peu familières, comme celles qui décrivent la rétrocausalité. Mais cette vertu s’accompagne d’un vice : le modèle de la camisole de force est si général que n’importe quelle loi de la nature peut s’y intégrer.

L’aspect métaphysiquement intéressant des lois de la nature n’est pas qu’elles limitent les possibilités physiques, mais comment elles y parviennent. Même si cela reste un sujet de débat, c’est le modèle en couches qui répond le mieux à cette question. Il fonctionne à merveille avec les boules de billard. Dans certaines conditions, le modèle ne peut tout simplement pas expliquer comment les lois de la nature produisent le futur, comme la rétrocausalité ; mais au lieu de chercher un nouveau modèle global unique, nous ferions peut-être mieux de nous en tenir au modèle en couches, après tout, et de développer un compte rendu distinct et adapté pour chaque type de situation où ce modèle ne convient pas.

Mario Hubert est professeur assistant de philosophie à l’université Ludwig-Maximilians de Munich.

Texte original : https://aeon.co/essays/on-seeing-the-laws-of-nature-as-a-recipe-or-a-news-report