2022 mai · La Voûte Etoilée

Michel Bitbol : “La physique quantique remet en question tout ce que nous pensions savoir sur ce que fait une science, et sur ce qu’est la nature” 31 mai, 2022

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Entretien

Michel Bitbol : “La physique quantique remet en question tout ce que nous pensions savoir sur ce que fait une science, et sur ce qu’est la nature”

Michel Bitbol, propos recueillis par Arthur Hannoun publié 29/01/2022

https://www.philomag.com/articles/michel-bitbol-la-physique-quantique-remet-en-question-tout-ce-que-nous-pensions-savoir

La mécanique quantique, en général, ramène à trois images très simples : un chat entre la vie et la mort, de minuscules morceaux de matière et un grand nombre de débats sur la nature de notre monde.

Ce peut être un bon début, mais Michel Bitbol, spécialiste de la question et de philosophie des sciences, nous répondrait que ce n’est pas suffisant.

On aurait en effet bien tort de s’en tenir là…

Auteur de nombreux ouvrages sur la philosophie de la physique, de la connaissance et de l’esprit – dont le très éclairant Mécanique quantique. Une introduction philosophique (Flammarion, coll. Champs, 1996), c’est avec une rare limpidité que le chercheur et épistémologue nous explique le sens du tournant scientifique et philosophique que constitue la «révolution quantique».

Bonne lecture !

Quelle définition de la physique quantique donneriez-vous à un néophyte ?

Michel Bitbol : Je lui dirais que la physique quantique est l’un des plus profonds paradoxes philosophiques des temps modernes.

Cette branche des sciences physiques permet de révéler des ressources insoupçonnées de la nature à l’échelle microscopique, et d’en tirer parti avec une efficacité inégalée.

Mais elle remet simultanément en question tout ce que nous pensions savoir sur ce que fait une science, et sur ce qu’est la nature.

La physique quantique a donné naissance aux lasers, aux diodes électroluminescentes (LED), aux microprocesseurs et aux écrans de nos téléphones portables, aux aimants supraconducteurs de l’imagerie par résonance magnétique nucléaire (IRM), aux ordinateurs quantiques, qui ouvrent des perspectives sans précédent à l’intelligence artificielle, aux horloges atomiques des GPS qui nous orientent dans les villes ou sur les routes… et à tant d’autres applications inscrites dans nos vies quotidiennes.

Pourtant, la physique quantique suscite un débat sans cesse renaissant sur son interprétation. «Comment le monde peut-il être ce que la théorie quantique dit qu’il est ?», demande Richard Healey.

Comment comprendre le monde étrange que prétend représenter la théorie quantique, avec ses évanescentes «ondes de probabilité», sa «non-séparabilité», ses particules indiscernables, ses superpositions d’états qui semblent laisser les chats mi-morts, mi-vifs ?

Mais aussi, de façon plus dérangeante : cette théorie physique offre-t-elle vraiment une représentation du monde ?

Healey écrit d’ailleurs à ce sujet : «Peut-être que la véritable radicalité de la théorie quantique est qu’elle ne précise pas comment est le monde.»

Peut-être même n’y a-t-il pas un monde complètement extérieur à nous, qui se prêterait à la représentation.

Peut-être la physique quantique enseigne-t-elle une seule chose à qui sait l’entendre : que le monde est tel qu’il serait vain de chercher comment il est indépendamment de nous.

Tout le monde a en tête, à propos de la mécanique quantique, la célèbre expérience de pensée dite du “chat de Schrödinger”.

Quel en est l’enjeu ?

Les états quantiques des objets microscopiques sont généralement «superposés» – indécis, en quelque sorte.

Lorsqu’un chat tombe sous l’influence d’une machine microscopique qui met sa vie en danger, son état quantique s’intrique avec celui de la fâcheuse machine, et il devient superposé à son tour.

Mais, demande Schrödinger, peut-on vraiment admettre que «le chat vivant et le chat mort sont mélangés ou brouillés en proportions égales» ?

Qu’en est-il de la philosophie de la physique quantique ?

La philosophie de la physique quantique est une discipline philosophique particulièrement riche et multiforme.

Elle allie l’épistémologie, au sens d’une théorie de la connaissance, l’ontologie, au sens d’une réflexion sur ce qui est, et une pratique réflexive de la physique elle-même, qui consiste à examiner les fondements de la théorie, puis à les tester expérimentalement.

Le philosophe de la physique se demande d’abord quel genre de connaissance on obtient par les théories quantiques.

Obtient-on une avancée vers les structures intimes de la réalité «en soi» ?

Obtient-on une description mathématique unifiée des phénomènes d’échelle atomique et subatomique ?

Ou obtient-on un simple procédé de calcul pour évaluer la probabilité des résultats que nous trouvons lorsque nous interagissons expérimentalement avec un milieu microscopique insaisissable ?

Le philosophe de la physique quantique s’interroge ensuite sur ce que doivent être les choses qui composent la nature, pour se laisser prévoir par une théorie aussi déroutante que la mécanique quantique.

Il est presque certain, comme le remarquait Maurice Merleau-Ponty, que la physique quantique ne nous fait faire que des «découvertes philosophiques négatives» à ce propos : elle ne nous renseigne que sur ce que ne sont pas les choses qu’on étudie.

Mais savoir ce qu’on ne peut pas penser de la nature est déjà un enseignement précieux.

Prenons un exemple, peut-être le plus célèbre.

Il s’agit de l’intrication, ou non-séparabilité, des états quantiques, que Schrödinger a décrit ainsi lorsqu’il l’a découverte, en 1935 : «La meilleure connaissance possible du tout n’implique pas nécessairement la meilleure connaissance des parties.»

Les recherches conduites sur cette question ont permis de dériver de nombreux théorèmes montrant que la nature ne s’accorde pas à nos préjugés plurimillénaires : elle n’est pas faite d’entités séparées, individuelles, dotées de propriétés intrinsèques strictement locales, comme l’explique le philosophe-physicien Bernard d’Espagnat dans À la recherche du réel (Dunod, 2021).

Retournant cette leçon négative en un énoncé positif, des chercheurs ont alors supposé qu’il fallait «penser toute chose en termes de relations» (Carlo Rovelli, Helgoland. Le sens de la mécanique quantique, Flammarion, 2021).

Enfin, certains philosophes de la physique quantique ne se contentent pas de réfléchir sur la physique quantique.

Ils entrent dans le détail de son formalisme, dans l’espoir d’en dériver des conséquences qui dévoileraient son sens.

Ainsi, quelques physiciens-philosophes (de Lucian Hardy à Giulio Chiribella) ont entrepris de montrer comment l’on peut reconstruire la théorie quantique à partir de premiers principes (Alexei Grinbaum, « Reconstruction of quantum theory», 2007).

D’autres, dont en particulier Hans-Dieter Zeh et Erich Joos, ont contribué indirectement aux applications pratiques de la physique quantique, en édifiant la théorie de la décohérence.

Cette théorie a été initialement pensée afin de répondre à une question philosophique : comment assurer le raccord entre la superposition quantique à petite échelle, et la détermination classique à grande échelle ?

Autrement dit, pour utiliser une allégorie célèbre, comment assurer la compatibilité entre l’état quantique mi-mort, mi-vif, d’un «chaton de Schrödinger» fait d’une ou deux particules, et l’état soit mort, soit vif, d’un véritable chat à notre échelle ?

Mais la théorie de la décohérence a ensuite débordé le champ de la philosophie, pour devenir l’un des piliers de la nouvelle technologie de l’ordinateur quantique.

Son étude sur des photons isolés a valu le prix Nobel de physique en 2012 à Serge Haroche et David Wineland.

Les créateurs de la physique quantique se posaient-ils déjà des questions sur la portée philosophique de leurs théories/découvertes ?

Chez les créateurs de la physique quantique, la pensée philosophique est le terreau de leur germination théorique.

Elle vient avant la théorie, plutôt que comme une réflexion après coup.

Il suffit de penser à l’itinéraire intellectuel de Werner Heisenberg, rapporté dans son livre autobiographique La Partie et le Tout.

De longues discussions avec Niels Bohr et Wolfgang Pauli sur les images de l’atome, rétrogradées au rang de simple outillage mental, et sur les approches opérationnalistes de la science, l’ont préparé au renversement magistral de sa nouvelle mécanique quantique de 1925.

Son geste fondateur est ce qu’on appelle «la réduction aux observables».

Heisenberg a renoncé à appliquer une mathématique continue aux mouvements (inobservables) des constituants de l’atome.

Au lieu de cela, il a concentré son attention sur les seules quantités observables que sont les fréquences discrètes [au sens mathématique, par opposition à «continues»], c’est-à-dire «quantifiées», d’émission de rayonnement par l’atome ; et il leur a appliqué une mathématique discontinue, dérivée de la théorie des matrices.

Presque simultanément, Erwin Schrödinger a élaboré une théorie concurrente, qui s’est avérée équivalente à celle de Heisenberg : la mécanique ondulatoire.

Le geste inaugural de Schrödinger a été de remplacer, dans ses modèles, une myriade d’éléments séparés par un seul continuum vibrant.

Cette idée lui a été soufflée par sa vaste culture philosophique, dominée par les conceptions post-kantiennes de Schopenhauer, et par les philosophies non-dualistes de l’Inde.

Quant à Niels Bohr, sa compréhension de la théorie quantique, dont il est l’un des premiers fondateurs, a reçu une marque puissante de son professeur et ami, le philosophe danois Harald Høffding.

Il lui doit en particulier sa conception de la «complémentarité» entre des représentations mutuellement incompatibles (comme celles de l’onde et du corpuscule).

De nos jours, l’osmose physico-philosophique est sans doute moins universelle – certains, comme le prix Nobel de physique 1979 Steven Weinberg, l’ont même vertement critiquée – mais elle reste féconde dans de nombreux cercles de réflexion.

Pensons à Carlo Rovelli, qui se déclare influencé par la Monadologie (1714) de Leibniz, et par la philosophie relationnelle du penseur indo-bouddhique du II^e siècle Nāgārjuna.

Pensons également à Christopher Fuchs, dont le «bayésianisme quantique» («QBism» dans son acronyme anglais) allie le pragmatisme et l’empirisme radical de William James, avec la philosophie probabiliste du statisticien italien Bruno De Finetti.

Pensons encore aux équipes d’expérimentateurs qui ont reçu leur inspiration d’une réflexion de philosophe, comme celle d’Alain Aspect travaillant la main dans la main avec Bernard d’Espagnat, ou celle d’Anton Zeilinger (à Vienne) associée au philosophe-physicien austro-serbe Časlav Brukner. Pour la fine pointe des physiciens quantiques, la philosophie n’est décidément pas qu’un «supplément d’âme»…

Elle gît souvent au cœur de leur activité créatrice, presque autant qu’au XVII^e siècle, où l’on menait, sous le nom de «philosophie naturelle», une réflexion mi-spéculative mi-expérimentale sur l’ordre, les principes, et les constituants de la nature.

Quelle différence faites-vous entre physique classique et physique quantique ?

Le basculement de l’une à l’autre a-t-il eu un impact sur les enjeux philosophiques liés à ces deux perspectives ?

Le passage de la physique classique à la physique quantique, au début du XX^e siècle, est habituellement considéré comme une «révolution scientifique»; mais il s’agit au moins autant d’une révolution philosophique.

Pour comprendre la portée de cette révolution intégrale de la pensée humaine, il faut revenir au XVII^e siècle, à l’avènement de la physique galiléo-newtonienne.

À l’époque, déjà, on ne s’est pas contenté d’améliorer des connaissances antérieures, ou de raffiner l’explication des processus matériels.

On a changé le sens même des verbes «connaître» et «expliquer».

En physique aristotélicienne, expliquer les changements des choses, c’était identifier en elles une transition de la puissance à l’acte, et attribuer cette transition à un «premier moteur immobile», à une cause ultime qui est acte pur.

Au temps de Descartes, expliquer le mouvement des corps, c’était mettre au jour son «mécanisme», c’est-à-dire une séquence de trajectoires, d’impulsions et de collisions susceptibles de l’avoir causé. Mais avec Isaac Newton, la recherche des causes des processus naturels s’interrompt (à peu de choses près); et elle est carrément remplacée par la formulation de lois mathématiques réglant la succession des phénomènes mesurables.

Ainsi que Newton l’écrit en 1713 : «Tout ce qui ne se déduit pas des phénomènes est une hypothèse. Les hypothèses métaphysiques, physiques, mécaniques, ou des qualités occultes ne doivent pas être reçues dans la philosophie expérimentale»

Désormais, expliquer un phénomène, c’est simplement montrer qu’il succède à un phénomène antérieur conformément à une loi mathématique générale.

La leçon philosophique de cette première grande mutation du concept de science a été brillamment tirée par Emmanuel Kant.

Selon lui, si la physique a accompli les prouesses qu’on lui connaît, c’est qu’elle a abandonné le projet illusoire de remonter par la raison vers ce que sont les choses en elles-mêmes; et qu’elle a su se contenter de mettre en ordre les phénomènes expérimentaux par des règles de succession, proposées d’avance par l’entendement.

La première édition de sa Critique de la raison pure (1781) énonce alors le principe de causalité sur ce mode ouvertement newtonien : «Tout ce qui arrive suppose quelque chose à quoi il succède selon une règle»

La physique quantique s’accompagne d’une transformation encore plus décisive du concept de science.

Superficiellement, elle ne diffère de la physique classique que par quelques caractéristiques cinématiques inédites, et par des associations baroques d’images incompatibles.

Les transitions d’un état à l’autre s’effectuent désormais par «sauts quantiques» plutôt que continûment; les lois de succession sont indéterministes plutôt que déterministes; et les représentations ondulatoire et corpusculaire sont inextricablement mêlées dans la description des phénomènes.

Mais, plus fondamentalement, la physique quantique met au défi le présupposé selon lequel les chercheurs scientifiques peuvent définir leur objet, le poser devant eux (selon l’étymologie du mot «objet»), puis l’étudier comme s’il était entièrement distinct d’eux ainsi que de leurs procédés d’observation.

Et, par ailleurs, la physique quantique bouleverse plus que jamais le concept d’explication, en le faisant porter sur la probabilité des phénomènes, plutôt que sur la règle (disparue) de leur succession. Comme le remarquent Richard Healey et Christopher Fuchs, la théorie quantique n’explique pas pourquoi un phénomène expérimental est survenu; elle explique pourquoi, afin d’être cohérent dans son système de prévisions, le chercheur doit lui assigner telle probabilité.

“Dieu ne joue pas aux dés !” : comment expliqueriez-vous le débat entre Einstein et Bohr sur le déterminisme supposé de l’univers ?

Des témoins ont rapporté la savoureuse réplique de Bohr à cette célèbre affirmation d’Einstein : «Albert, ne dis pas à Dieu ce qu’il doit faire !»

Ces phrases pittoresques signalent que la question du déterminisme a été posée à nouveaux frais par la physique quantique, et que ses protagonistes étaient loin de s’accorder sur les conclusions à en tirer.

Indubitablement, la théorie quantique ne régit que les probabilités des phénomènes, et non pas leur succession déterminée.

Indubitablement, aussi, l’un des piliers de la théorie quantique est le principe (les relations, les inégalités) d’indétermination » de Heisenberg.

Ce principe limite de manière stricte la précision avec laquelle on peut fixer les valeurs d’un couple de variables comme la vitesse et la position, qui caractérisaient en physique classique la trajectoire des particules matérielles.

En 1927, dans le premier article où il l’a énoncé et démontré, Heisenberg est allé jusqu’à déclarer que ce principe signifie la fin de la causalité.

S’élevant contre cette thèse de Heisenberg et Bohr, Einstein s’est dit convaincu que les traits indéterministes de la théorie quantique ne sauraient appartenir à la nature en elle-même (vue du «point de vue de Dieu»), mais qu’ils traduisent seulement un déficit de nos informations à son propos. Selon lui, la théorie quantique n’est que la description à grands traits, et donc incomplète, d’une grande quantité de processus naturels sous-jacents qui doivent être gouvernés individuellement par des lois déterministes.

Elle doit ressembler en cela à la mécanique statistique classique, qui décrit grossièrement, à grande échelle, des processus moléculaires déterministes trop nombreux et trop petits pour être étudiés un par un.

Einstein était persuadé que, à la manière de la mécanique statistique classique, la théorie quantique exprime un défaut de connaissance, plutôt qu’un trait de la nature en elle-même.

S’il en va ainsi, on devrait en particulier considérer les inégalités de Heisenberg comme des relations «d’incertitude» (notre incertitude), plutôt que comme des relations «d’indétermination» (de la nature). En vérité, ce que n’a pas bien vu Einstein, c’est que, sous la pression de la physique quantique, Bohr et Heisenberg ont dissous la dualité même de «nous» et de «la nature», du sujet et de l’objet.

Comme l’écrit le philosophe Ernst Cassirer dans Déterminisme et indéterminisme en physique moderne (1956), «Heisenberg part du constat que les énoncés de la physique ont un caractère relatif, en ceci qu’ils expriment l’état des choses observées, non pas ‘en soi’, mais en relation aux moyens d’observation utilisés» [voir aussi le paradoxe de Wigner].

Dans ces conditions, les traits probabilistes et indéterministes de la physique quantique ne sont à attribuer ni à ce qu’est la nature indépendamment de nous, ni à la seule imperfection de nos moyens de connaissance.

Ils découlent du fait premier que la nature est indissociable de ce que nous faisons en elle pour l’explorer.