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Helgoland : Introduction à la physique quantique

Helgoland : Introduction à la physique quantique Posted on 31 juillet 2021Laisser un commentaire

Une théorie, plus que toute autre, a transformé notre compréhension du tissu de l’univers, celle des quanta. Elle est censée élucider des milliers d’aspects de l’univers, des fondements de la chimie à l’origine des galaxies. Elle est utilisée par les scientifiques et les ingénieurs. Elle est à la base des plus récentes technologies, des ordinateurs à l’énergie nucléaire. Elle est, écrit Carlo Rovelli dans Helgoland, « le coeur battant de la science d’aujourd’hui ».

Carlo Rovelli a obtenu un doctorat en physique à l’université de Padoue. Spécialiste de la physique théorique et de la philosophie des sciences, il a publié plusieurs livres de vulgarisation scientifique, dont Sept brèves leçons de physique, un bestseller international traduit en 41 langues et vendu à plus d’un million d’exemplaires. Helgoland est son dernier essai en date. Il a paru en italien en septembre 2020 et en traduction anglaise en mars 2021.

L’objet de Helgoland est de familiariser avec la physique quantique ceux auxquels elle ne serait pas familière – la plupart d’entre nous, avouons-le, y compris l’auteur de cet article – et de faire comprendre pourquoi il est difficile de comprendre ce dont il retourne. Rovelli avertit d’ailleurs que, si ce qu’il a écrit paraît parfaitement clair, c’est qu’il ne l’a pas été assez.

Dieu joue-t-il aux dés ?

Dieu joue-t-il aux dés ? C’est Einstein, connu pour son agnosticisme autant que pour ses métaphores divines, qui posa la question. Elle revient à se demander si des lois déterministes régissent bien la Nature (« Dieu », dans la vision du panthéisme immanent de Spinoza, auquel Einstein fait allusion).

Einstein inspira une génération de jeunes savants, dont Heisenberg, lequel pour soigner ses allergies s’était réfugié sur l’île de Helgoland (d’où le titre du livre) dans la mer du Nord lorsqu’il exposa dans un article sa théorie radicalement nouvelle de la mécanique quantique. « L’objet de cet article, écrit-il en guise d’introduction, est de poser les fondations d’une théorie de la mécanique quantique basée exclusivement sur des relations entre quantités qui sont en principe observables. »

« Heisenberg, commente Rovelli, avait aperçu l’étrange beauté d’un monde subatomique dans lequel rien n’existe jusqu’à ce qu’il interagisse. »

Physicien théoricien, l’auteur s’attache à décrire les différentes interprétations de la nouvelle théorie, lesquelles impliquent que l’on accepte les hypothèses extrêmes de l’existence d’univers multiples (si les travaux d’Erwin Schrödinger sur l’évolution de la fonction d’onde associée à l’état d’une particule sont pris au pied de la lettre), de variables invisibles et de phénomènes que l’on n’a jamais observés.

Toutefois, si on s’en tient humblement à une interprétation probabiliste de l’équation de Schrödinger, il faut bien remarquer que ses travaux ainsi que la notion de variables cachées ramènent la physique quantique in fine dans une même logique déterministe que la physique classique en ce que chaque chose serait prévisible dans la mesure où l’on aurait connaissance de la valeur de ces variables par définition indéterminables.

L’élément Ψ de l’équation de Schrödinger (prix Nobel de physique en 1933) aurait une connotation épistémologique et correspondrait en quelque sorte à l’état actuel de nos connaissances.

S’agissant d’interpréter la mécanique quantique d’un point de vue physique et philosophique, il serait difficile d’ignorer le bayésianisme quantique dont c’est précisément l’objet, en particulier dans le cas du QBism qui met la subjectivité au centre des préoccupations, ce qui lui a valu d’être accusé d’anti-réalisme (alors que ce courant de pensée se revendique d’un « réalisme participatif »).

Carlo Rovelli relève l’intérêt de cette interprétation et trace un parallèle avec son contexte artistique (les peintres cubistes Braque, Picasso…), intellectuel (Freud, Lévi-Strauss…) et littéraire (Pirandello, prix Nobel de littérature en 1934), lequel se distancie de l’idée que le monde puisse être représenté d’une manière figurative. (Plus proche de notre époque, l’écrivain japonais Haruki Murakami, auteur de la trilogie 1Q84 dont les personnages se meuvent dans des réalités superposées et convergentes, a manifestement été inspiré dans ce roman et dans d’autres par le bayésianisme quantique.)

Une interprétation relationnelle

Rovelli lui-même se prononce pour une interprétation relationnelle de la mécanique quantique, c’est à dire comme étant l’état d’un système qui dépend de l’observateur. Il s’en était déjà ouvert dans un article datant de 1994.

Là où la physique classique fournit de la réalité une image claire d’un espace où des particules se meuvent sujettes à des forces qui les attirent et les repoussent, le monde émergeant d’une conception relationnelle de la physique quantique n’est plus constitué d’éléments indépendants avec des caractéristiques spécifiques mais d’éléments dont les propriétés n’apparaissent que par rapport à d’autres éléments. La réalité en devient ponctuelle, discontinue et de nature probabiliste.

Et, là où les interprétations de la mécanique quantique se référant à l’existence de mondes multiples et de variables cachées cherchent à reconquérir la plénitude de la vision classique du monde et à en exorciser l’incertitude qu’y introduisent les quanta, son interprétation relationnelle fracture le monde en une multitude de points de vue qui exclut une vision univoque et globale de la réalité (dont la consistance est néanmoins rétablie grâce aux systèmes de référence communs).

Une allusion au physicien et philosophe des sciences autrichien Ernst Mach (1838-1916), dont la critique des théories de l’espace et du temps de Newton préfigurait la théorie de la relativité d’Einstein, fait insister Rovelli sur ce que la science doit se départir des hypothèses métaphysiques, et la connaissance puiser dans ce qui est observable. C’est le précepte auquel Heisenberg se réfère, cet article l’évoquait plus haut, dans l’introduction à sa théorie de la mécanique quantique.

« Je crois, écrit Rovelli, que nous devons adapter notre philosophie à notre science, et non pas notre science à notre philosophie. » Notre quête de connaissance n’est pas nourrie par les certitudes, mais par le doute, une absence radicale de certitude, rappelle-t-il par ailleurs, tandis que, pour le moment, la représentation quantique d’un monde fragmenté et immatériel constitue, selon lui, l’hallucination la plus en harmonie avec notre réalité.

Helgoland, Carlo Rovelli, Allen Lane Publisher, 208 pages.

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(L’article ci-dessus a initialement été publié dans l’hebdomadaire satirique PAN n° 3993 du vendredi 23 juillet 2021.)

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