De l’illusion newtonienne aux mystères quantiques

 La physique moderne se sépare en trois branches, la cosmologie qui étudie l’univers, la physique quantique qui étudie les particules matérielles et la physique statistique qui étudie les systèmes matériels complexes. Et cet ensemble laisse le penseur fort perplexe. Des centaines d’ouvrage ont été publiés sans que la matière ne soit comprise dans ses ressorts les plus profonds. Seule la cosmologie paraît s’accorder avec le sens commun et encore faut-il se baser sur la physique newtonienne car après, le schéma devient énigmatique mais très efficace du point de vue opérationnel. La mécanique céleste de Newton aboutit à un malentendu avec la nature alors que la physique quantique induit un non entendu, autrement dit les physiciens n’entendent rien de la nature microphysique qui pourtant épouse les mailles du filet mathématique qu’ils ont tendu. Bref, toute cette cuisine mathématique nous incline à méditer sur l’ignorance de la science. Non pas une ignorance telle qu’on la sert dans les cours d’épistémologie pour étudiants post-pubères en classe de terminale supérieure à l’université mais une ignorance plus fondamentale. L’ignorance scientifique ordinaire s’inscrit dans une vulgate naïve où le savant se sait face à des questions mais suppose qu’avec le progrès et les expériences scientifiques il finira par avoir les réponses. Ce présupposé a bien fonctionné et sans être vraiment le carburant intellectuel déterminant, il a permis à la science moderne d’avancer. L’ignorance du second type est ontologique. Elle repose sur une difficulté à interroger et penser le réel. Les expériences scientifiques ne peuvent rien dans ce cas et peut-être que certaines questions ne peuvent avoir de réponses car elles échappent aux capacités de la pensée humaine.

 

Retour vers le 17^ème siècle avec Newton dont la mécanique rationnelle utilise des notions corrélées au sens commun. La masse est mesurée mais sans instrument de mesure, elle s’inscrit dans une vision commune car tout un chacun sait en soulevant deux objets d’un poids différents que l’un est léger et l’autre lourd. Même chose pour d’autres notions comme la vitesse, l’accélération, la force. L’idée géniale de Newton fut de considérer comme une unique force la cause du mouvement circulaire des corps célestes autour du soleil et la cause de la chute des corps. Ainsi naquit la science moderne avec des calculs précis en mécanique au prix d’une illusion ontologique puisque pas plus l’attraction céleste que la chute des graves ne sont dues à des forces mais par contre, lorsqu’un individu met en mouvement une charrette ou bien lance un projectile, là il s’agit d’une force mécanique efficiente. La mécanique newtonienne a été utilisée pour régler les canons et elle suffit pour envoyer un homme sur la lune. Mais la gravitation n’est pas une force strictement mécanique et efficiente. C’est autre chose. La vision du monde héritée de la mécanique newtonienne épouse le bon sens mais elle est naïve comme peut l’être toute réduction de la nature à une utilité.

 

La physique du 19^ème siècle prend une tournure inédite avec la mécanique rationnelle de Laplace et Lagrange. Deux notions clés, l’énergie potentielle et l’énergie cinétique. Un principe clair, celui de la conservation de l’énergie s’il n’y a pas d’influence externe. Pendant la chute d’un corps, la somme des deux énergies reste constante, autrement dit l’énergie potentielle se transforme en énergie cinétique. Mais un autre principe a suscité bien des interrogations, c’est le principe de moindre action postulant que la trajectoire d’un corps est celle qui rend extrémale l’intégrale du lagrangien. Et ce lagrangien, c’est la différence entre l’énergie cinétique et l’énergie potentielle. Les physiciens n’ont jamais vraiment compris quel enseignement en tirer sur la nature physique ni quelle signification accorder au lagrangien. Tout au plus, ce principe a été un sujet de méditation sur les causes finales dans la nature. Ce qu’on sait actuellement, c’est que ce principe est universel, on le retrouve masqué dans la thermodynamique, la cosmologie relativiste (dans laquelle il apparaît comme action stationnaire) et même dans la mécanique quantique où cette fois il est transformé pour apparaître dans la méthode de l’intégrale des chemins inventée par Feynman. La physique contemporaine n’est pas au bout des surprises. Le théorème de Noether s’avère fascinant. A toute translation épousant un axe correspond une conservation d’une grandeur. L’énergie est conservée lors d’une translation temporelle, l’impulsion lors d’une translation spatiale et le moment cinétique lors d’une rotation. Rien de bien étonnant sauf que dans la mécanique quantique, un paramètre nouveau apparaît en conjonction avec la nature vibratoire des particules dont la représentation avec la fonction d’onde nécessite un paramètre, la phase (comme dans le courant alternatif). Lors d’une translation de phase d’une particule comme l’électron ou le proton, la grandeur qui est conservée est la charge électrique. C’est ainsi que s’exprime le principe fondamental de symétrie énoncé par Noether et appliqué à une particule chargée. On sait que deux particules chargées s’attirent ou se repoussent mais la physique ignore pourquoi d’où provient la constante élémentaire de charge et pourquoi elle reste invariante. L’univers matériel reste un mystère et ce n’est pas la mécanique quantique qui permettra d’y voir plus clair, bien au contraire, car le mystère est au bout des particules. 

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Sous réserve de l’existence d’un génie méconnu, on peut dire avec certitude qu’aucun physicien ne comprend ce que signifie la mécanique quantique en terme d’ontologie de la matière. Feynman, ce génie des calculs ondulatoires qui à ses heures perdues fracturait les serrures de coffre-fort n’a pas réussi à craquer le code quantique et d’ailleurs dans ses conférences, il se plaisait à étonner ses auditeurs en affirmant que la mécanique quantique était d’une efficacité redoutable mais que personne ne comprenait pourquoi ça marche ainsi. La mécanique quantique reste un hiéroglyphe qui ne trouvera peut-être jamais son Champollion. Et d’ailleurs, accéder au formalisme quantique nécessite une connaissance des mathématiques réservée à quelques heureux élus parvenant aux études supérieures. La littérature est riche en ouvrages de vulgarisation où souvent, les images poétiques servent à illustrer le comportement facétieux des particules. Pour ceux qui maîtrisent un peu les maths, il y a les manuels classiques. Le Feynman est souvent proposé aux étudiants mais le meilleur texte en la matière reste quand même le Dirac publié en 1930 et traduit aux PUF en 1931. Ce traité explique clairement les fondements de la mécanique quantique et c’est la marque d’un esprit génial qui a su exposer avec tant de cohérence et de clarté ces formules mathématiques permettant de décrire la dynamique des particules et autres processus élémentaires. Autant dire que la mécanique quantique a complètement renversé la vision du monde naïve héritée du 19^ème siècle, avec bien évidemment le concours de la seconde révolution physique, celle d’Einstein. Les physiciens ont dû se faire à l’idée qu’il n’existe pas d’éther matériel et de référentiel spatiotemporel absolu mais aussi que le monde invisible et microphysique ne peut pas être extrapolé à partir de la mécanique rationnelle classique. A l’échelle quantique, il se produit une rupture épistémologique ; la matière perd ses qualités « ordinaires » de masses manipulables et formalisables comme des points matériels se déplaçant dans l’espace et le temps. En plus, l’idée d’un monde physique extérieur à l’expérimentateur doit être abandonnée car l’observation microphysique doit prendre en compte l’observateur et son dispositif. Pour le dire avec une image, dans la physique classique, un monde objectif est photographié par l’instrument alors que dans la physique quantique, au moment où le photographe déclenche l’observation, c’est comme s’il créait l’image qu’il photographie dans son instrument.

 

L’une des notions clé de la mécanique quantique, c’est l’observable qui est un opérateur mathématique hermitique. Et c’est là tout le côté étrange de cette physique. La particule est décrite comme une fonction d’onde, c’est-à-dire une superposition de fonctions complexes (dans le sens mathématique, avec une partie réelle et une partie imaginaire). On perd complètement la notion de sens commun puisqu’un nombre complexe ne peut pas correspondre avec le monde réel. Le point de raccordement se situe au niveau des observables. Le lien n’est pas simple. Il faut d’abord introduire un opérateur qui effectue une opération sur les fonctions d’onde. Il existe des opérateurs pour l’impulsion, pour l’énergie, pour l’énergie complète (p2/2m + V), désigné comme opérateur hamiltonien ainsi que pour la position. Si en effectuant une opération, on multiplie la fonction d’onde (vecteur d’état) par un nombre entier, alors ce nombre est une valeur propre. C’est un nombre réel et c’est ce qui peut être mesuré. En physique quantique, les paramètres qu’on peut mesurer sont donc les valeurs propres de ces opérateurs aux propriétés particulières que sont les observables. Ce n’est pas simple et même étrange Il y a même un paramètre qui n’existe pas dans la mécanique classique, c’est le spin, mouvement de rotation interne qui découle de l’observable associé au moment cinétique.

 

L’univers quantique est très curieux, suscitant le silence des physiciens ou bien l’invention de thèses inédites, celles de l’holomouvement proposée par Bohm ou bien Capra et ses aventures dans les philosophies d’Orient. Réel voilé disait Espagnat alors qu’un Penrose tente de relier la conscience aux phénomènes quantiques. Les interprètes de la physique quantiques sont un peu à l’image des kabbalistes. Chacun son interprétation à partir d’un texte mathématique unique et maintenant presque définitif. La piste la plus prometteuse est celle d’un double monde. Penrose suggère en effet l’existence de deux réalités, R, monde des observations et U, monde des vecteurs d’états complexes. Cette idée est évidente. Le monde quantique est représenté comme une écume d’où jaillissent des embruns, les observations, alors qu’en dessous on trouve un océan fait d’ondes complexes, de fluctuations du vide et autres cortèges de mystères. La physique des particules ouvre un monde supplémentaire qui n’était pas prévu à l’origine par le formalisme quantique orthodoxe (tout au plus voit-on apparaître le positron dans l’équation de Schrödinger étendue dans un contexte relativiste par Dirac).

 

Avez-vous noté que des hackers peuvent entrer dans les ordinateurs du Pentagone malgré des sécurités numériques conçues par les meilleurs informaticiens alors que personne n’a encore compris et craqué le code quantique. C’est en vérité parce que les codes informatiques ont été créés par l’homme. Cette boutade suggère que les mystères de la nature dépassent les possibilités de l’entendement humain et c’est un prétexte pour adopter une position d’humble intelligence. Il faut en effet une bonne dose d’intelligence pour concevoir que le secret de la mécanique quantique est bien caché et que la compréhension de la nature échappe à l’intelligibilité humaine. Le physicien peut mesurer les particules et les prendre dans les mailles de son filet mathématique mais il ne sait pas quelles interprétations tirer du formalisme. Il est pris par le spectre de la docte ignorance. Il connaît ce qu’il ignore mais ne trouvera dans l’expérience aucune réponse. Néanmoins, il peut trouver un jour, contrairement au jeune qui à Woodstock pensait trouver des réponses sans savoir ce qu’il cherchait. Craquer le code quantique, ce peut être un jeu mais aussi un enjeu intellectuel pour le 21^ème siècle. Que veut nous dire la nature à travers cette énigmatique succession de symboles mathématiques ? Le jeu est ouvert, qu’on soit américain, français, italien, russe, chinois ou ivoirien. Peut-être vais-je tenter d’en dire un peu plus.