FINI LE MECCANO !




Les éléments constitutifs du monde sont-ils séparables ?

Christian Magnan
Collège de France, Paris
Université de Montpellier II

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J' ai dénoncé sous le nom de « machinisme » la fâcheuse tendance de la science à réduire l'univers des choses à une gigantesque machinerie composée de particules élémentaires et j'ai défendu au contraire l'idée que l'essence profonde du monde se situe sans doute au-delà de cette vue réductrice. Or il se trouve que ce machinisme a été battu en brèche par la science elle-même, à l'intérieur de sa propre théorie. Elle qui affectionnait la vision d'un monde décomposable en éléments séparés a été forcée par l'expérience d'adopter une conception plus globale des choses. Nous allons voir en effet qu'elle a été contrainte d'admettre l'impossibilité d'attribuer aux entités élémentaires composant le monde des propriétés internes repérables et bien définies indépendantes du contexte expérimental.

Les coups les plus rudes portés au machinisme l'ont été par la mécanique quantique, inventée et développée dans la première moitié du XXe siècle, et, venant de sa part, les assauts sont particulièrement sérieux. Pourquoi ? Parce que cette partie de la science a précisément pour ambition d'analyser les constituants ultimes, ou supposés tels, de la matière.

Or, alors qu'on aurait pu s'attendre à trouver enfin en théorie atomique des composants "atomiques" au sens étymologique, c'est-à-dire indivisibles, des composants proprement élémentaires, faciles à identifier, parfaitement déterminés, aux propriétés bien établies, rien de tel n'émerge de la théorie du très petit. Au contraire, c'est plutôt, en un certain sens, le domaine de la complexité, du flou, voire de l'incertitude ! C'est plutôt l'abstrait d'une idée mathématique que le concret d'une particule. J'ai insisté en effet dans un autre chapitre sur le caractère symbolique de la mécanique quantique, notamment à propos de la fonction d'onde qu'elle introduit, concept théorique qui n'a aucun équivalent direct dans le monde réel. En somme la science se voit forcée de renoncer à jouer au Meccano en construisant le monde à l'aide de barres, vis et autres boulons.

En outre la mécanique quantique a introduit en physique la notion de hasard, jusque-là étrangère à une discipline qui tirait orgueil du caractère assuré de ses prévisions. En effet, cette fameuse fonction d'onde, objet central de la théorie, ne peut s'interpréter dans une expérience concrète qu'en termes de probabilité. Autrement dit, le résultat de toute mesure comporte à un niveau fondamental, donc non réductible à des circonstances secondaires, un aspect imprévisible. Et, impossible de s'en défaire, il conserve ce caractère aléatoire en toutes circonstances.

Voilà le pavé qui a dérangé bien des esprits, lesquels avaient pris la fâcheuse habitude d'imposer au réel le déterminisme le plus absolu - autre symptôme du syndrome machiniste.

Une personnalité scientifique aussi exceptionnelle que celle d'Einstein refusa cette faille dans le pouvoir prédictif de la théorie et ne cessa de contester avec énergie les principes de la mécanique quantique, tout en acceptant - nécessité fait loi - ses conclusions. On connaît son : « Dieu ne joue pas aux dés. » Avec d'autres savants « raisonnables », il tenta de réintroduire une vue plus mécaniste des choses, mais en vain.

Depuis, les scientifiques ont dû avaler la couleuvre : accepter l'indéterminisme et le hasard sur leur propre terrain.

Le débat est relancé périodiquement par certains scientifiques, acceptant mal sans doute que le monde semble échapper à leur maîtrise. Le principal argument employé est toujours le même depuis qu'il a été imaginé par Einstein, Podolski et Rosen vers 1935 : il s'agit de l'expérience de pensée désignée sous le nom de « paradoxe EPR ». Cette expérience a depuis fait l'objet de mesures, menées notamment par le physicien français Alain Aspect en 1983, qui ont confirmé, je m'empresse de le dire, le bien fondé du point de vue quantique.

Ce paradoxe est au coeur de notre question : est-il loisible de réduire le monde en éléments distincts possédant chacun des propriétés intrinsèques, indépendantes notamment de leur environnement et déterminées à l'avance, c'est-à-dire avant qu'il soit procédé à leur mesure ?

Dans les conditions de l'expérience EPR il se trouve que deux photons jumeaux, nés ensemble d'une même particule-mère, ce n'est pas un photon doté de ses propres caractéristiques juxtaposé à un autre photon doté des siennes, d'ailleurs complémentaires de celles de son jumeau, mais c'est vraiment un système insécable : c'est un photon-avec-un-autre. Et c'est sur ce système global que portent les mesures. Autrement dit, dans le contexte expérimental de l'expérience EPR, « deux » n'est pas « un plus un » mais un couple.

Quelle est cette fameuse expérience imaginée par Einstein pour mettre en défaut la mécanique quantique ?

Créons une paire de photons par décomposition d'une particule-mère (par exemple par désintégration d'un « pion neutre »). On sait de façon certaine que les deux photons créés seront complémentaires l'un de l'autre, au sens que si on mesure leur spin (quantité caractéristique de leur état de « rotation ») et que l'un des spins est dirigé dans un sens l'autre le sera forcément dans l'autre sens. Par commodité de langage et pour rendre le vocabulaire plus abordable, nous parlerons d'un photon à spin positif accompagnant un photon à spin négatif (en anglais on parle d'un spin « up » et d'un spin « down »). La mesure du spin des deux photons fournira donc nécessairement un spin positif et un spin négatif.

Imaginons maintenant que nous permettions aux photons de se séparer à une distance arbitrairement grande. Le résultat de la mesure restera-t-il le même ? Oui. En fait, quel que soit le degré de séparation mutuelle, on continuera à détecter un spin positif et un spin négatif. Nés en paire, les photons resteront en paire, formant un couple indissociable.

Où se situe alors le problème ? Le problème réside dans l'interprétation que nous faisons de ce résultat expérimental, toute la question étant de savoir si au départ chaque photon avait un état, positif ou négatif, déterminé.

La position de la mécanique quantique est claire : le spin restant indéterminé tant que nous procédons pas à sa mesure, nous ne pouvons pas parler de ce spin comme d'une quantité inhérente au photon. Seul compte l'opération de mesure, qui donne, la physique doit s'en contenter, un certain résultat. Mais puisque par nature ce résultat reste indécis tant qu'il n'est pas obtenu, autrement dit puisque la science est incapable de prédire si le spin mesuré sera positif ou négatif, cette science se refuse même la possibilité d'assigner aux photons de l'expérience un spin caché, qui ne se révèlerait qu'au moment de la mesure mais qui existerait en quelque sorte antérieurement à l'acte de mesure. Ou tout au moins, et plus exactement, cette possibilité que nous évoquons au niveau des mots n'est pas incluse dans la théorie.

Einstein veut prouver que le point de vue de la mécanique quantique est intenable. En effet, avance-t-il, lorsque nous mesurons le spin du photon A, le spin du photon B, bien que la particule soit située à une distance arbitrairement grande, se trouve immédiatement déterminé lui aussi, puisqu'il est l'opposé de celui de A. Or comme aucun signal ne peut se propager plus vite que la lumière, il est absurde de penser que la mesure de A puisse révéler aussitôt le résultat de la mesure de B. La seule façon d'échapper au dilemne est de supposer que le spin de B n'était pas soumis à la seule détermination du spin de A mais qu'il était déterminé quelque part au départ, antérieurement à toute mesure. Selon Einstein les particules élémentaires seraient bien dotées de propriétés intrinsèques et si la mécanique quantique ne nous les révèlent qu'au moment de l'acte de mesure c'est que cette théorie est insatisfaisante et incomplète. Il existerait des variables cachées et le propre d'un bonne théorie serait de les inclure dans un cadre théorique déterministe. Autrement dit, pour lui, l'indétermination n'est pas en soi fondamentale, elle ne fait que traduire l'inconsistance et les limites de l'approche quantique.

Comme annoncé plus haut, le point de vue d'Einstein et des opposants à la mécanique quantique s'est révélé faux. Un spécialiste de logique du nom de Bell a montré que si l'hypothèse d'Einstein selon laquelle chaque particule individuelle possède des propriétés bien définies était vraie alors, en combinant algébriquement les résultats de mesures simultanées relatives à ces deux particules, certaines inégalités (qui portent son nom : les inégalités de Bell) devaient être satisfaites. Physiquement parlant, il devait exister un certain degré de corrélation entre ces mesures à ne pas dépasser. Or, le dépouillement des résultats de l'expérience-test d'Aspect montre que ce degré est dépassé dans la nature, invalidant du même coup les suppositions d'Einstein.

En pratique, cela signifie que la physique atomique moderne reconnait la nécessité de traiter un système physique comme un tout, à l'encontre de la tendance de la physique classique, prête à considérer tout système comme l'ensemble d'entités distinctes et désireuse de réduire les propriétés de l'ensemble à celles des composants les plus simples.

Une comparaison linguistique pourra peut-être éclairer cette conclusion-ci, que les propriétés d'un élément paraissant a priori propres à ce seul élément peuvent en fait dépendre du contexte. Certes « comparaison n'est pas raison » : je ne cherche pas à établir un parallèle strict entre le photon de l'expérience et le mot d'un texte mais me propose juste de stimuler la réflexion.

Un nom, en français, est soit masculin soit féminin. A-t-il pour autant, dans tous les cas, une propriété intrinsèque nommée genre ? Oui en général, mais non de façon stricte. Nous allons voir que dans certains cas, un peu « vicieux » certes, on ne peut pas attribuer de genre clair à un nom. Par conséquent la notion de « genre » ne possède pas le caractère absolu que nous lui aurions volontiers prêté.

(Analogiquement le spin d'un photon est dirigé soit dans une direction soit dans l'autre. On peut dire en général qu'il possède un certain spin mais dans l'expérience EPR cela se révèlera plus difficile.)

D'abord, le genre n'est pas écrit ou peint sur le mot. Pour le déterminer on fait en quelque sorte une expérience en plaçant ce mot dans un contexte, en présence par exemple d'un article indéfini ou d'un adjectif : « un » signifiera masculin, « une », féminin. Ou alors l'accord de l'adjectif trahira le genre. En général, pas de problèmes. « Une étoile brillante » : féminin. « Un soleil radieux » : masculin.

(De même pour les photons : on les soumet à une expérience qui permettra de distinguer un photon à spin « positif » d'un photon à spin « négatif ».)

Cependant dans certains cas, des difficultés se présentent. On dit « un amour partagé » mais « des amours enfantines ». Nous en concluons que « amour » est masculin au singulier mais féminin au pluriel (les amours au pluriel seraient-elles, naturellement, le propre des femmes ?). Bien, mais le problème du genre du mot « amour » ou « amours » n'est pas vraiment résolu pour autant. Posons en effet la question suivante. Doit-on dire « le plus beau des premières amours » ou « la plus belle des premières amours » ? On préfèrera sans doute « le plus beau des premiers amours ». Donc dans ce contexte « amours » au pluriel est « redevenu » masculin.

Cet exemple montre les limites d'un concept, celui de genre d'un mot, qu'on aurait pu croire parfaitement défini. On peut trouver d'autres cas, comme « les vieilles gens sont bienveillants ». Consultez l'indispensable Grévisse (Le bon usage).

La leçon est simple : le contexte d'un mot est primordial. Isolé, un mot n'est pas « vraiment » doté des propriétés intrinsèques qui le caractériseraient pleinement une fois pour toutes.

Si nous en revenons à notre paradoxe EPR, la mécanique quantique constate qu'on ne peut pas distinguer le photon A du photon B et assigner à chacun un spin donné. C'est, quoi qu'on y fasse, A-avec-B qui est mesuré. Et c'est la mesure de spin de cette ensemble qui compte. Il n'y a situation contradictoire, paradoxale, que lorsqu'on cherche artificiellement à séparer A et B.

Le monde ne se divise pas en entités de propriétés parfaitement identifiables et définies. Ce n'est pas si simple. Le monde est plus subtil qu'une machine.

À suivre



D'après un extrait du livre de Christian Magnan
Et Newton croqua la pomme...
Éditions Belfond/Sciences (1990)
Dernière modification : 17 mars 2004


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