{"id":18264,"date":"2020-09-25T15:20:29","date_gmt":"2020-09-25T14:20:29","guid":{"rendered":"https:\/\/www.revue3emillenaire.com\/blog\/?p=18264"},"modified":"2020-09-25T15:20:29","modified_gmt":"2020-09-25T14:20:29","slug":"questions-de-fondements-en-physique-quantique-par-bernard-despagnat","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.revue3emillenaire.com\/blog\/questions-de-fondements-en-physique-quantique-par-bernard-despagnat\/","title":{"rendered":"Questions de fondements en physique quantique par Bernard d\u2019Espagnat"},"content":{"rendered":"

Pour nuanc\u00e9 que soit le jugement que l\u2019on est en droit de porter sur le XX\u00e8me<\/sup> si\u00e8cle, il faut bien reconna\u00eetre, qu\u2019en ce qui concerne la physique, il aura \u00e9t\u00e9 un vrai si\u00e8cle d\u2019or. Y ont \u00e9trangement progress\u00e9 non seulement les applications, cela nous le constatons \u00e0 seulement regarder autour de nous, mais aussi la connaissance pure.<\/span><\/span><\/p>\n

Au sujet de ce dernier point, on peut dire que la th\u00e9orie physique d\u2019aujourd\u2019hui repose en d\u00e9finitive sur deux tr\u00e8s grands acquis de la premi\u00e8re moiti\u00e9 du XX\u00e8me<\/sup> si\u00e8cle : la relativit\u00e9, restreinte et g\u00e9n\u00e9rale, et la m\u00e9canique quantique.<\/span><\/span><\/p>\n

Des disciplines telles que l\u2019astrophysique, la cosmologie, l\u2019\u00e9tude des particules dites \u00ab\u00a0\u00e9l\u00e9mentaires\u00a0\u00bb, sont enti\u00e8rement fond\u00e9es sur ces deux \u00ab\u00a0piliers\u00a0\u00bb. D\u2019autres, comme la physique des solides, la chimie th\u00e9orique, prennent plus particuli\u00e8rement appui sur le second.<\/span><\/span><\/p>\n

C\u2019est dire l\u2019int\u00e9r\u00eat que rev\u00eat \u00e0 l\u2019heure actuelle une r\u00e9flexion d\u00e9taill\u00e9e portant sur le r\u00f4le exact de la m\u00e9canique quantique dans tel ou tel domaine pr\u00e9cis, sur les fondements de cette m\u00e9canique et sur les \u00e9ventuels changements qu\u2019il faudrait faire subir \u00e0 ses principes.<\/span><\/span><\/p>\n

Le r\u00f4le exact de la m\u00e9canique quantique en certains domaines pr\u00e9cis.<\/b><\/span><\/span><\/p>\n

Sur ce point l\u00e0, je serai bref, et par cons\u00e9quent sch\u00e9matique. Je limiterai mon horizon \u00e0 deux questions, d\u2019ailleurs li\u00e9es : celle du r\u00f4le de cette m\u00e9canique dans la constitution de l\u2019ordre et celle de son r\u00f4le en chimie. Il s\u2019agit, je le dis tout de suite, de deux questions controvers\u00e9es, et c\u2019est justement l\u00e0 ce qui les rend int\u00e9ressantes.<\/span><\/span><\/p>\n

En ce qui concerne la premi\u00e8re, la controverse se fonde sur le fait qu\u2019\u00e0 la suite des travaux de Turing, de von Bertalanffy, de Prigogine et d\u2019autres chercheurs, la possibilit\u00e9 d\u2019une apparition d\u2019ordre \u00e0 partir du chaos est maintenant bien \u00e9tablie et ses m\u00e9canismes assez bien compris. Or ces m\u00e9canismes, qui mettent en jeu la complexit\u00e9, sont loin d\u2019\u00eatre sp\u00e9cifiquement quantiques. De fait, c\u2019est m\u00eame sur des mod\u00e8les non quantiques qu\u2019on les \u00e9tudie le plus ais\u00e9ment.<\/span><\/span><\/p>\n

D\u2019un autre c\u00f4t\u00e9, la m\u00e9canique quantique est, elle aussi, cr\u00e9atrice d\u2019ordre (via les diff\u00e9rences qualitatives qu\u2019elle impose entre \u00e9tats possibles), et elle l\u2019est m\u00eame au sein de syst\u00e8mes simples, tels que les atomes et les mol\u00e9cules. La question est donc de savoir lequel des deux effets est le plus important. Ou plus exactement, il s\u2019agit de savoir dans quels domaines le premier l\u2019emporte sur l\u2019autre et vice-versa.<\/span><\/span><\/p>\n

Je ne pense pas que parmi les sp\u00e9cialistes concern\u00e9s l\u2019accord soit unanime sur ce point, et je me contente donc de donner tr\u00e8s rapidement mon sentiment. Il est que les ph\u00e9nom\u00e8nes de bifurcation, de structures dissipatives, et ainsi de suite, qui caract\u00e9risent la premi\u00e8re approche cit\u00e9e, sont essentiels pour ce qui touche aux cr\u00e9ations d\u2019ordre de type macroscopique, telles qu\u2019on les voit survenir dans des ph\u00e9nom\u00e8nes aussi vari\u00e9s que la thermodynamique et la cin\u00e9tique chimique loin de l\u2019\u00e9quilibre, les changements climatiques \u00e0 court terme, la construction des termiti\u00e8res, l\u2019\u00e9volution urbaine et ainsi de suite ; et qu\u2019en revanche, ce sont les r\u00e9gularit\u00e9s quantiques qui l\u2019emportent en d\u00e9finitive, et de beaucoup, dans le domaine de l\u2019ordre biologique, tout au moins au niveau de la mol\u00e9cule complexe.<\/span><\/span><\/p>\n

Qui dit mol\u00e9cule, dit chimie, et ceci nous am\u00e8ne \u00e0 la seconde des deux questions : est-il ou non vrai que la chimie soit r\u00e9ductible en droit \u00e0 la m\u00e9canique quantique ? Le c\u00e9l\u00e8bre physicien britannique P.A.M. Dirac s\u2019est autrefois prononc\u00e9 sans ambigu\u00eft\u00e9 pour une r\u00e9ponse positive, et il existe un tr\u00e8s grand nombre de th\u00e9oriciens de haute valeur qui continuent \u00e0 soutenir que c’est l\u00e0 la r\u00e9ponse correcte Mais cette opinion ne fait pas l’unanimit\u00e9.<\/span><\/span><\/p>\n

L’un des principaux arguments des opposants consiste \u00e0 souligner que, tout comme les cristaux et autres objets macrocospiques, les mol\u00e9cules ont des formes, des orientations dans l’espace et d’autres semblables propri\u00e9t\u00e9s que (au moins au del\u00e0 d’une certaine \u00ab\u00a0grosseur\u00a0\u00bb) elles paraissent vraiment poss\u00e9der en soi, tout \u00e0 fait ind\u00e9pendamment des proc\u00e9d\u00e9s, instruments et ainsi de suite \u00e9ventuellement mis en \u0153uvre pour observer telle de celles-ci ou telle autre. Aux yeux du \u00ab\u00a0profane\u00a0\u00bb rien ne para\u00eet, assur\u00e9ment, plus naturel. Il n’en est pas moins vrai que, prise tout \u00e0 fait au pied de la lettre, une telle th\u00e8se n’est pas compatible avec l’id\u00e9e que ces syst\u00e8mes, qui sont compos\u00e9s d’un nombre fini de particules, pourraient \u00eatre d\u00e9crits au moyen de fonctions d’onde (\u00ab\u00a0orbitales\u00a0\u00bb), fonctions des coordonn\u00e9es de ces particules et d’elles seules.<\/span><\/span><\/p>\n

Bien entendu, une r\u00e9ponse possible \u00e0 cet argument consiste \u00e0 faire observer que nos mesures simultan\u00e9es des grandeurs en question ne peuvent jamais atteindre la pr\u00e9cision au niveau de laquelle une vraie difficult\u00e9 th\u00e9orique appara\u00eetrait. Mais la discussion continue, du fait, en particulier, que certaines mol\u00e9cules poss\u00e8dent plusieurs niveaux fondamentaux se d\u00e9duisant les uns des autres par sym\u00e9tries, chose dont l’explication \u00ab\u00a0quantique\u00a0\u00bb para\u00eet n\u00e9cessiter l’intervention de l’environnement.<\/span><\/span><\/p>\n

Manifestement, le d\u00e9bat est int\u00e9ressant au plan des concepts et il l’est m\u00eame \u00e0 plus d’un titre. Son issue ne devrait pas \u00eatre sans port\u00e9e en ce qui concerne la question du r\u00e9ductionnisme. Et, vu sous un autre angle, il touche aussi \u00e0 la tr\u00e8s d\u00e9licate question du r\u00e9alisme, dont il est question ci-dessous.<\/span><\/span><\/p>\n

Le physico-chimiste Hans Primas (E.T.H. Zurich) est l’auteur d’une int\u00e9ressante tentative d’\u00e9claircissement de ces mati\u00e8res. Sch\u00e9matiquement, elle consiste \u00e0 ne pas n\u00e9gliger le r\u00f4le de l’environnement, ce qui n\u00e9cessite un \u00e9largissement du domaine traditionnel de la m\u00e9canique quantique des chimistes puisqu’il faut alors traiter de syst\u00e8mes ayant un nombre infini de degr\u00e9s de libert\u00e9.<\/span><\/span><\/p>\n

Plus pr\u00e9cis\u00e9ment : partant d’une physique quantique totalement rigoureuse mais de ce fait non-pr\u00e9dictive (elle porte, d’une mani\u00e8re non-s\u00e9parable, sur la totalit\u00e9 de l’Univers), Primas proc\u00e8de \u00e0 une s\u00e9rie d’approximations strictement contr\u00f4l\u00e9es mais mettant en jeu un \u00ab\u00a0point de vue humain sur le monde\u00a0\u00bb. Et il parvient ainsi \u00e0 des sous-th\u00e9ories co\u00efncidant avec les mod\u00e8les qu’utilisent les chimistes et les biologistes pour d\u00e9crire comme des objets les mol\u00e9cules qu’ils \u00e9tudient. Contrairement \u00e0 la m\u00e9canique quantique proprement dite, ces mod\u00e8les, ces th\u00e9ories partielles et d\u00e9riv\u00e9es, peuvent \u00eatre formul\u00e9s dans le langage \u00ab\u00a0r\u00e9aliste\u00a0\u00bb auquel nous sommes habitu\u00e9s et qui consiste, (comme je le notais plus haut), \u00e0 attribuer par la pens\u00e9e aux syst\u00e8mes physiques \u00e9tudi\u00e9s toutes sortes de propri\u00e9t\u00e9s qu’ils sont cens\u00e9s avoir en soi (sans du tout se soucier de savoir si, au plan th\u00e9orique, on pourrait ou non les mesurer simultan\u00e9ment avec pr\u00e9cision). Ces mod\u00e8les r\u00e9alistes \u00e9tant des outils indispensables au chimiste, (et plus encore au biologiste), Primas juge qu’en d\u00e9finitive ce n’est pas la m\u00e9canique quantique \u00ab\u00a0toute nue\u00a0\u00bb mais bien la m\u00e9canique quantique trait\u00e9e de cette mani\u00e8re, disons, \u00ab\u00a0volontariste\u00a0\u00bb, qui atteint la \u00ab\u00a0r\u00e9alit\u00e9 chimique\u00a0\u00bb. Il conclut donc que la chimie existe donc en tant que science ayant ses concepts et lois propres, qu’elle utilise la physique (quantique bien s\u00fbr) mais qu’elle ne s’immerge pas dans la physique.<\/span><\/span><\/p>\n

Les fondements de la m\u00e9canique quantique<\/b><\/span><\/span><\/p>\n

Au niveau des math\u00e9matiques, ces fondements ont \u00e9t\u00e9 bien \u00e9lucid\u00e9s. Toutefois, lorsqu’on les scrute d’un \u0153il un tant soit peu \u00ab\u00a0philosophique\u00a0\u00bb, on s’aper\u00e7oit que les math\u00e9matiques de la physique quantique contemporaine ont un caract\u00e8re essentiellement op\u00e9rationaliste.<\/span><\/span><\/p>\n

Il y a l\u00e0 une diff\u00e9rence significative avec la physique classique. En physique classique, les concepts premiers, (celui de \u00ab\u00a0point mat\u00e9riel\u00a0\u00bb par exemple), pr\u00e9tendent se r\u00e9f\u00e9rer aux choses ou aux propri\u00e9t\u00e9s des choses. En physique quantique, (et le fait devient de plus en plus patent au fur et \u00e0 mesure que la th\u00e9orie rev\u00eat des formes plus g\u00e9n\u00e9rales et plus savantes), les concepts premiers se r\u00e9f\u00e8rent avant tout aux op\u00e9rations, (pr\u00e9paration des syst\u00e8mes physiques, mesure des grandeurs observables), qu’au moyen de ses instruments l’homme effectue sur les choses.<\/span><\/span><\/p>\n

Certaines tentatives qui furent faites, (logique quantique par exemple), et dont il \u00e9tait esp\u00e9r\u00e9 qu’elles d\u00e9passeraient l’op\u00e9rationalisme et permettraient de revenir \u00e0 une description \u00ab\u00a0r\u00e9aliste\u00a0\u00bb, (au sens ancien et banal du terme), n’ont pas sur ce point \u00e9t\u00e9 convaincantes, en grande partie en raison du caract\u00e8re \u00ab\u00a0globalisant\u00a0\u00bb ou \u00ab\u00a0holiste\u00a0\u00bb de la m\u00e9canique quantique (non-s\u00e9parabilit\u00e9).<\/span><\/span><\/p>\n

Plus pr\u00e9cis\u00e9ment, les principes de base de la physique quantique sont ce qu’ils sont, (je pense par exemple \u00e0 la lin\u00e9arit\u00e9 : les scientifiques comprendront ce que je veux dire et cela les aidera \u00e0 suivre mon argument, mais ce terme n’est pas d\u00e9finissable sans formules et c’est pourquoi je dois m’abstenir ici de l’expliciter). Et en toute rigueur, ces principes de base enferment celui qui pr\u00e9tendrait les faire servir \u00e0 une description des choses \u00ab\u00a0telles qu’elles sont vraiment\u00a0\u00bb dans ce qu’on peut appeler le \u00ab\u00a0cercle du holisme\u00a0\u00bb. J’entends par l\u00e0 que, comme d\u00e9j\u00e0 not\u00e9 \u00e0 propos de la chimie mol\u00e9culaire, la th\u00e9orie se refuse, pour ainsi parler, \u00e0 ce que son r\u00e9f\u00e9rent \u00ab\u00a0r\u00e9aliste\u00a0\u00bb (par opposition \u00e0 \u00ab\u00a0op\u00e9rationaliste\u00a0\u00bb), soit constitu\u00e9 de \u00ab\u00a0choses distinctes\u00a0\u00bb m\u00eame li\u00e9es par des interactions. Elle n’accepte \u00e0 ce titre que \u00ab\u00a0tout l’Univers\u00a0\u00bb. Le seul moyen v\u00e9ritablement fonctionnel de briser le cercle du holisme est donc pr\u00e9cis\u00e9ment de se rabattre sur l’op\u00e9rationalisme, et c’est bien ce que font les physiciens en g\u00e9n\u00e9ral, sans le dire ou en le disant. <\/span><\/span><\/p>\n

Faut-il alors se r\u00e9signer \u00e0 ne voir dans l\u2019ensemble de la physique th\u00e9orique qu\u2019un syst\u00e8me de r\u00e8gles de calcul permettant de pr\u00e9voir ce que nous et les autres observerons ? En un sens, oui, mais il est des consolations et m\u00eame mieux que de simples consolations.<\/span><\/span><\/p>\n

L\u2019approche de Primas, par exemple, est bien, dans une certaine mesure, une reconqu\u00eate du r\u00e9alisme et c\u2019est bien sous ce jour que la voit son auteur. Mais ce n\u2019est pas un r\u00e9alisme au sens ancien. Les choses, les objets, n\u2019y ont qu\u2019une objectivit\u00e9 seulement faible puisqu\u2019elles proc\u00e8dent en toute rigueur, nous l\u2019avons vu, d\u2019un point de vue que nous prenons, nous, \u00eatres humains, sur le monde. On peut parler \u00e0 leur sujet, ainsi que je l\u2019ai fait ailleurs, de r\u00e9alit\u00e9 empirique.<\/span><\/span><\/p>\n

Il est curieux de constater que cette \u00e9volution des sciences physiques vers une reconnaissance de la validit\u00e9 de la notion de r\u00e9alit\u00e9 empirique trouve son parall\u00e8le dans certains cercles purement philosophiques. C\u2019est ainsi par exemple que Hilary Putman (Harvard), lequel pouvait nagu\u00e8re \u00eatre class\u00e9 parmi les partisans du r\u00e9alisme au sens usuel, est parvenu par un cheminement purement philosophique \u00e0 une conception (Internal Realism) qui co\u00efncide pratiquement avec celle \u00e0 laquelle je fais allusion.<\/span><\/span><\/p>\n

Changements \u00e9ventuels des principes quantiques<\/b><\/span><\/span><\/p>\n

La th\u00e9orie quantique se perfectionne de jour en jour, cela va de soi. On en reformule, en particulier, les principes pour les rendre plus g\u00e9n\u00e9raux. Mais c\u2019est une autre question que de savoir s\u2019il faut vraiment les modifier dans leur base m\u00eame. A l\u2019heure actuelle, la grande majorit\u00e9 des physiciens, arguant du fait que ces principes \u00ab\u00a0fonctionnent\u00a0\u00bb tr\u00e8s bien tels qu\u2019ils sont, disent qu\u2019ils n\u2019en voient pas la n\u00e9cessit\u00e9. Mais il y a des dissidents, lesquels se recrutent parmi les r\u00e9alistes \u00ab\u00a0purs et durs\u00a0\u00bb, que la notion de r\u00e9alit\u00e9 empirique, (au sens pr\u00e9cis\u00e9 ci-dessus), ne suffit pas \u00e0 satisfaire.<\/span><\/span><\/p>\n

Les tentatives de modification sont tr\u00e8s nombreuses mais non toutes d\u2019\u00e9gale valeur. Je n\u2019\u00e9voquerai ici que les deux seules qui me paraissent devoir retenir l\u2019attention.<\/span><\/span><\/p>\n

La premi\u00e8re est celle qui consiste \u00e0 introduire des variables suppl\u00e9mentaires, (dites souvent \u00ab\u00a0cach\u00e9es\u00a0\u00bb). Elle remonte \u00e0 une id\u00e9e ancienne de Louis de Broglie et a surtout \u00e9t\u00e9 d\u00e9velopp\u00e9e par David Bohm et par John Bell. A vrai dire, elle n\u2019est \u00ab\u00a0modification\u00a0\u00bb que dans un sens assez restreint. En droit, en effet, elle reproduit toutes les pr\u00e9dictions d\u2019observation de la m\u00e9canique quantique \u00ab\u00a0orthodoxe\u00a0\u00bb.<\/span><\/span><\/p>\n

La pr\u00e9sence en son sein de ces variables suppl\u00e9mentaires sert seulement \u00e0 permettre \u00e0 la th\u00e9orie de tr\u00e8s consid\u00e9rablement se rapprocher, au plan philosophique, du r\u00e9alisme au sens usuel. Mais un c\u00e9l\u00e8bre th\u00e9or\u00e8me du m\u00eame John Bell montre qu\u2019il n\u2019est pas question qu\u2019une telle th\u00e9orie nous d\u00e9barrasse du holisme. La cons\u00e9quence est qu’elle nous d\u00e9peint un monde sous des couleurs extraordinairement diff\u00e9rentes de celles sous lesquelles la \u00ab\u00a0physique utile\u00a0\u00bb le voit, (m\u00eame le Big Bang n\u2019y est plus qu’une \u00ab\u00a0petite ride\u00a0\u00bb \u00e0 la surface du R\u00e9el, selon l’expression de Bohm). En outre, elle para\u00eet \u00e0 peu pr\u00e8s inconciliable avec les principes relativistes, si ceux-ci sont \u00e9galement pris dans une acception \u00ab\u00a0r\u00e9aliste\u00a0\u00bb.<\/span><\/span><\/p>\n

Une autre tentative de modification, plus radicale et plus r\u00e9cente, qui pr\u00e9sente un grand int\u00e9r\u00eat est celle que l’on doit aux physiciens italiens G.Ghirardi, A.Rimini et T. Weber. Dans cette th\u00e9orie, il n’y a pas de variables suppl\u00e9mentaires et la fonction d\u2019onde est une \u2013 l’unique \u2013 r\u00e9alit\u00e9. Mais le holisme est en partie d\u00e9truit gr\u00e2ce \u00e0 l’introduction dans l’\u00e9quation de base de termes violant la lin\u00e9arit\u00e9. Cette brisure du holisme permet de consid\u00e9rer les objets solides, instruments de mesure en particulier, comme des r\u00e9alit\u00e9s en soi, j\u2019entends comme n’ayant rien \u00e0 voir avec un quelconque \u00ab\u00a0point de vue humain sur le monde\u00a0\u00bb. Ceci toutefois ne para\u00eet pas s’\u00e9tendre \u00e0 tout l’ensemble du r\u00e9el. L’image, classique mais na\u00efve, d’un gaz comme constitu\u00e9 de petits objets en mouvement et qui s\u2019entrechoquent ne para\u00eet pas pouvoir \u00eatre sauv\u00e9e par cette th\u00e9orie, laquelle laisse donc entiers les probl\u00e8mes relatifs \u00e0 une interpr\u00e9tation r\u00e9aliste des th\u00e9ories de la cosmog\u00e9n\u00e8se. En outre, pas plus que l’autre, cette th\u00e9orie ne para\u00eet conciliable avec une interpr\u00e9tation r\u00e9aliste des lois de la relativit\u00e9.<\/span><\/span><\/p>\n

Dans ces conditions, la question de savoir s’il faut ou non changer les principes de base de la m\u00e9canique quantique rel\u00e8ve, \u00e0 l’heure actuelle, de l\u2019opinion. Je penche, pour ma part, vers une r\u00e9ponse n\u00e9gative, toutes les th\u00e9ories \u00ab\u00a0\u00e0 changement\u00a0\u00bb me paraissant \u00eatre des m\u00e9taphysiques un peu trop gratuites pour \u00eatre convaincantes. Je persiste \u00e0 donner ma pr\u00e9f\u00e9rence au couple de notions \u00ab\u00a0r\u00e9el voil\u00e9\u00a0\u00bb et \u00ab\u00a0r\u00e9alit\u00e9 empirique\u00a0\u00bb, la premi\u00e8re se r\u00e9f\u00e9rent \u00e0 ce qui est et la seconde aux ph\u00e9nom\u00e8nes.<\/span><\/span><\/p>\n

Bernard d\u2019Espagnat<\/span><\/span><\/p>\n

(Extrait de Lettre Science culture N\u00b039. Janvier-f\u00e9vrier 1989<\/i>)<\/span><\/span><\/p>\n

Bibliographie<\/b><\/span><\/span><\/p>\n

J.S.Bell : Speakable and Unspeakable in Quantum Mechanics<\/i>, Cambridge University Press, Cambridge U. K.1987.<\/span><\/span><\/p>\n

D. Bohm, Physical Review, 85, pp 166,180 (1952).<\/span><\/span><\/p>\n

L. de Broglie, Journal de Physique 5, p.225 (1927)<\/span><\/span><\/p>\n

B. d\u2019Espagnat: <\/span>Une incertaine r\u00e9alit\u00e9<\/i><\/span>, Gauthier-Villars, Paris 1985.<\/span><\/span><\/p>\n

G. Ghirardi, A. Rimini et T.Weber, Physical Review D34, p.470 (1986).<\/span><\/span><\/p>\n

H. Primas : Chemistry, Quantum Mechanics and Reductionism<\/i>, Springer Verlag, Heidelberg (R.F.A.) 1981.<\/span><\/span><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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