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Publiscopie
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A
Different Universe
Reinventing physics from the bottom
down
par
Robert B. Laughlin
Basic Books 2005
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présentation
et discussion par Jean-Paul Baquiast
avril 2005
Nous
avons accompagné la présentation
proprement dite du livre par deux articles, l'un ayant
valeur de Prologue et l'autre de
conclusion provisoire, intitulé Emergence
et réalité.
Les professeurs Mioara Mugur-Schächter et Jean-Louis
Le Moigne ont bien voulu relire ce texte. J'ai tenu
compte de leurs observations précieuses, dont
je les remercie.
Prologue
Le
scientifique moderne, même s'il ne pratique pas
la philosophie de la connaissance ou épistémologie,
ne peut pas éviter de s'interroger sur la pertinence
des modèles du monde qu'il utilise, au regard de
ce que pourrait être la réalité ultime.
Cette question inspire aussi l'intérêt du
public pour la science et pour les nouvelles hypothèses
scientifiques découlant de l'utilisation d'instruments
de plus en plus perfectionnés. Pour beaucoup de
gens, en dehors de ses apports utilitaires, la science
doit permettre de mieux connaître la nature profonde
de l'univers, en permettant d'échapper à
des descriptions métaphysiques qui ne se sont pas
renouvelées depuis des siècles (mais il
s'agit sans doute nous allons le voir d'une illusion qui
relève d'une nouvelle sorte de métaphysique)
C'est
la physique qui apporte le plus d'ouvertures sur ce que
pourrait être l'univers. Mais malheureusement, pour
ceux qui voudraient obtenir de la science une description
aussi simple et homogène que possible de la réalité,
la physique semble proposer des solutions différentes,
sinon contradictoires. Depuis le début du XXe siècle,
elle s'est divisée en trois branches également
fécondes, la cosmologie qui traite de l'univers
dans son entier, et la physique des particules élémentaires
ou microphysique qui étudie les constituants ultimes
de la matière. Entre les deux, on trouve la physique
de la matière macroscopique, aux multiples applications
technologiques et industrielles, qui utilise par commodité
la physique quantique, mais qui travaille sur des objets
et des modèles à l'échelle de nos
sens ordinaires. La physique macroscopique enregistre
aujourd'hui l'irruption du concept d'émergence,
jusqu'ici plutôt réservé aux sciences
cognitives et aux sciences de la vie, qu'elles soient
biologiques ou artificielles. On peut considérer,
nous semble-t-il, que le physicien Robert Laughlin, dont
nous présentons un livre qui se révélera
sans doute important, représente bien la génération
de ce que l'on pourrait appeler les militants de l'émergence.
Ces
trois branches de la physique ne peuvent pas s'ignorer,
mais cependant elles ont adopté des approches qui
aujourd'hui encore n'ont pas pu être
fusionnée dans une représentation du monde
commune.
Le
« réalisme » de la cosmologie
La
cosmologie s'est développée depuis Einstein
en prolongement de la théorie de la relativité
générale s'appliquant à des modèles
globaux d'espace-temps de type « réaliste
». Ce terme veut dire que la physique cosmologiste,
qu'elle soit instrumentale ou théorique, prétend
décrire l'univers non pas tel qu'il serait en soi,
tâche probablement impossible, mais indépendamment
de ce que peut penser ou ne pas penser tel observateur
particulier, c’est à dire d’une manière
dotée d’objectivité au sens moderne.
Les instruments utilisés pour observer le cosmos
sont censés nous faire toucher du doigt la réalité,
telle qu'elle est, telle qu'elle fut dans le passé
ou même telle qu'elle deviendra dans le futur. Nul
n'imagine qu'ils puissent décrire autre chose que
le réel. C'est ce réalisme qui soutient
l'intérêt du public pour les images fournies
par les observatoires terrestres ou en orbite, tel le
télescope Hubble ou le fameux Wilkinson Microwave
Anisotropy Probe qui a mesuré ce qui reste de la
radiation micro-onde supposée émise par
l'univers 380.000 ans après le Big Bang.
Les
cosmologistes ne sont évidemment pas assez naïfs
pour penser que les interprétations audacieuses
qu'ils donnent d'observations restant rares et peu explicites
décrivent l'univers tel qu'il est. Ces interprétations
restent juste des modèles dont il est possible
de vérifier la pertinence et l'utilité par
l'expérimentation. Cependant, avec notamment le
développement du calcul informatique, une physique
théorique pratiquement coupée de toutes
possibilités immédiates d'observation a
généré des modèles de plus
en plus éloignés du sens commun. La frontière
entre ce que les physiciens considèrent comme possédant
un correspondant qui « existe réellement
», par exemple les trous noirs, et ce qui relève
seulement de la représentation mathématique,
par exemple le voyage dans le temps, devient de plus en
plus ténue. Ceci non seulement dans l'esprit du
grand public mais aussi dans celui des physiciens eux-mêmes.
Pour les cosmologistes, les entités qu'ils décrivent
dans l'univers, aussi abstraites soit-elles (Big Bang,
inflation, matière noire et énergie noire,
cordes, branes) ou cet univers lui-même, de plus
en plus souvent considéré comme multiple
ou comportant des univers parallèles (le multivers)
ne s'imposent qu'à certaines échelles d'observation.
Mais d’autre part on nous dit: « l'univers
est ainsi, il évoluera de telle façon, etc.
», comme si la cosmologie tendait à devenir
fondamentalement réaliste. Peut-être, sans
cela, ne serait-elle plus financée par les 
institutions.
C'est en considération de la « réalité
» décrite par eux que les cosmologistes proposent
notamment des stratégies permettant à l'espèce
humaine et plus généralement aux espèces
vivantes d'échapper aux multiples formes d'extinction
qui les menacent. L'excellent ouvrage récent du
physicien américain Michio Kaku (Parallel Worlds)
illustre ce postulat épistémologiste dans
toutes ses pages. Michio Kaku consacre le dernier tiers
de son livre à envisager la façon dont des
civilisations technologiques du futur pourront quitter
notre univers vieillissant devenu inhabitable pour d'autres
univers plus jeunes et plus accueillants.
Le
constructivisme de la mécanique quantique
Au
contraire de la cosmologie, la microphysique, dominée
depuis bientôt 80 ans par la mécanique quantique,
s'est orientée dans une direction toute différente.
Pour la mécanique quantique, il est peu plausible
de décrire de façon naïvement réaliste
le monde sous-jacent à celui de notre univers quotidien
macroscopique. Le physicien doit se borner à produire
des représentations probabilistes qui découlent
de la façon dont sa conscience enregistre les résultats
des instruments qu'il utilise. Il s'agit de constructions
dont il assume le caractère relatif, ce qui permet
de dire que la physique quantique est constructive. Mais
ceci n'empêche pas le physicien quantique d'obtenir
en pratique, à partir d'entités microscopiques
qu'il n'a pas besoin de décrire de façon
réaliste, des résultats expérimentaux
de plus en plus utilisables dans la vie quotidienne. Les
succès technologiques apportés par les applications
de la mécanique quantique ne se comptent plus et
seront de plus en plus décisifs dans le proche
avenir. Comment une science qui prétend ne pas
pouvoir décrire l'univers en soi peut-elle présenter
des résultats aussi riches ? Aux yeux du public
et même à ceux des physiciens, c'est là
un des mystères de la mécanique quantique.
Une
dérive vers la sur-théorisation
Cependant,
depuis quelques années, en conséquence notamment
de l'apparition d'instruments dont l'utilisation exige
un renouvellement théorique approfondi, la cosmologie
et la physique quantique sont de plus en plus obligées
de se référer aux mêmes données
d'observation, celles portant sur l'énergie et
les particules qui se retrouvent à toutes les échelles
auxquelles on observe l'univers. Les grands accélérateurs
de particules jouent un rôle clef à cet égard.
On attend beaucoup par exemple du futur LHC du CERN qui
entrera en service vers 2010. En provoquant des collisions
violentes entre électrons ou entre protons, les
accélérateurs feront peut-être apparaître
de nouveaux états de la matière/énergie
qui pourraient renseigner à la fois sur l'univers
dans son ensemble et sur les constituants les plus petits
de ce que l'on appelle encore les particules élémentaires.
Depuis quelques années, ce sont principalement
les observations (réussies ou avortées)
provenant de ces instruments qui ont donné à
certains physiciens théoriciens l'idée de
rechercher une théorie mère qui unifierait
les différentes forces mesurables dans l'univers,
y compris la gravité dont on peut observer les
effets mais dont la nature (onde ou particule) reste encore
inobservable. Cette théorie, dite de la gravitation
quantique s'est développée depuis quelques
années sous divers noms (théorie des cordes,
théorie des membranes, M. Théorie dite aussi
théorie de Tout). Elle a produit d'innombrables
travaux et hypothèses, dont aucune n'a pu être
véritablement testée à ce jour.
Un
certain nombre de physiciens considèrent cependant
qu'il s'agit là d'une dérive inutile sinon
dangereuse, vers la sur-théorisation. Nous y reviendrons
en examinant ci-dessous la position de Robert Laughlin.
On notera cependant que si cosmologistes et physiciens
quantiques peuvent être conduits à coopérer
dans la formulation théorique ou dans l'expérimentation
de théories unifiées, leurs points de vue
épistémologiques ou leurs conceptions de
la réalité restent différents. Pour
un cosmologiste, comme Stephen Hawking ou Michio Kaku
précité, si jamais une Théorie de
Tout aboutissait à élaborer une équation
unifiée, elle permettrait à l'homme de comprendre,
sinon modifier, le passé et le futur du monde.
L'homme serait devenu semblable à Dieu, selon l'image
mystique souvent employée. Autrement dit, nous
serions confrontés à ce que l'on pourrait
appeler le triomphe du réalisme épistémologique.
Le réel n'aurait plus de secrets pour la science,
tout au moins dans ses grandes lignes. Mais comment expliquer
que l'homme, partie du réel, puisse jamais s'en
donner une image exhaustive ? Il s'agit d'une objection
majeure à la Théorie du Tout s'inspirant
du réalisme.
Pour
ce qui les concerne, les physiciens quantiques continuent
en général, tout au moins dans leurs travaux,
à ne pas se croire obligés de considérer
comme indépendantes de l'observation et existant
en soi les entités microscopiques utilisées
dans les modèles cosmologistes, notamment la théorie
des cordes, pour ne pas mentionner l'hypothétique
théorie du Tout. Les différentes particules
envisagées par la cosmologie, qu'elles soient identifiables
par l'observation ou qu'elles restent encore hypothétiques
(gravitons, cordes, membranes) ne sont pour eux ni des
particules ni des ondes ni rien de comparable à
quelque chose existant dans le monde macroscopique. Elles
n'ont pas de réalité en soi et ne peuvent
donc être observées objectivement, c'est-à-dire
indépendamment d'un observateur et d'un instrument.
On est donc tenté de les considérer comme
des constructions de l'esprit relatives à telle
époque ou à tel type d'hypothèse.
Il en est de même des espaces-temps (que l'on n'appelle
d'ailleurs pas ainsi) dans lesquels se « diluent
» les particules en état de superposition.
On dit par commodité que lorsqu'une particule n'a
pas été observée, autrement dit tant
que l'on n'a pas réduit sa fonction d'onde, elle
est présente pour l'observateur, avec des probabilités
différentes, dans tout l'univers. Mais il ne s'agit
pas de l'univers des cosmologistes, il s'agit d'autre
chose que l'on ne peut pas qualifier en termes objectifs,
comme on le ferait de l'univers observable, qu'il soit
plat, courbe ou feuilleté. De même, quant
les physiciens quantiques parlent du vide quantique, il
ne s'agit pas de quelque chose de physique, analogue à
ce que pourrait être soit un vrai vide soit un plasma.
Il s'agit de quelque chose d'indéterminable, sauf
à constater que de façon imprévisible
des particules peuvent en émerger avant de s'y
annihiler à nouveau.
On
dira que le non réalisme des physiciens quantiques
n'a pas de conséquences pratiques et ne les empêche
pas de collaborer avec les cosmologistes réalistes
ni plus généralement avec l'ensemble des
scientifiques dont les modèles font appel aux particules
et autres entités quantiques. En effet, ce qui
intéresse cette collaboration, ce ne sont pas ce
que sont en soi ces entités, mais la façon
dont elles se manifestent lorsqu'un instrument réduit
leur fonction d'onde, c'est-à-dire les fait apparaître
dans le monde macroscopique – ceci à plus
forte raison lorsque ce n'est pas une entité seule
qui est observée, mais une population de telles
entités, analysable en terme statistique. Ainsi,
dans l'ordinateur quantique, peu importe ce qu'est et
où se situe le bit quantique en état de
superposition. Ce qui importe, c'est l'état qu'il
manifeste lorsqu'il est observé, c'est-à-dire
lorsqu'il cesse d'être une particule quantique pour
devenir une marque dans le monde matériel. De même,
dans les lasers ou dans les appareils utilisant l'effet
tunnel, qui mettent en oeuvre de grandes quantités
d'entités quantiques, ce qui importe au scientifique
sont les effets observables de ces supposées populations
d'entités, une fois que leur fonction d'onde collective
a été observée par interaction avec
un instrument.
Est-il
donc finalement indifférent de se référer
au réalisme ou au non réalisme, que l'on
soit scientifique ou que l'on soit simple citoyen s'intéressant
à la philosophie des sciences ? Certainement pas.
Comme l'a montré la physicienne et épistémologue
Mioara Mugur-Schächter (voir http://www.automatesintelligents.com/echanges/2004/juin/mrc.html),
il est désormais important, pour l'ensemble des
scientifiques et pas seulement pour les physiciens, d'abandonner
le postulat réaliste qui était celui des
premiers scientifiques et qui demeure encore très
vivace, nous venons de le voir, chez les cosmologistes
d'aujourd'hui. Tous ces scientifiques devraient désormais,
selon elle, s'inspirer de la pratique constructive des
physiciens quantiques. Autrement dit, ils devraient considérer
que toutes les entités microscopiques ou macroscopiques
de l'univers qu'ils décrivent sont relatives à
la fois à la structure de leurs instruments et
de leur propre esprit.
Abandonner le point de vue réaliste présente,
entre autres avantages, comme l'indique Mioara Mugur-Schächter,
celui de libérer l'imagination créatrice
du scientifique, en lui évitant d'avoir à
considérer comme des préalables incontournables
ce qui ne résulte en fait que de modèles
foncièrement relativisants.
Entre
réalisme et non-réalisme, émergence
de l'émergence
Ceci
dit, aujourd'hui, le constructivisme qui est le principe
fondateur de la mécanique quantique reçoit
un renfort auquel les physiciens du milieu du XXe siècle
n'avaient pas pensé. Il s'agit du concept d'émergence,
qui est constamment invoqué depuis quelques années
par les sciences dites de la complexité. Ce concept
intéresse comme nous l'avons dit la biologie, le
calcul informatique mais aussi de plus en plus, grâce
à des chercheurs comme Robert Laughlin, le monde
de la physique fondamentale. Il n'est pas incompatible
avec le non-réalisme de la mécanique quantique.
Au contraire il lui donne une portée plus générale,
en termes épistémologiques. Ceci apporte
une raison d'être supplémentaire à
l'entreprise évoquée ci-dessus de Mioara
Mugur-Schächter, visant à étendre l'épistémologie
de la mécanique quantique à l'ensemble des
recherches scientifiques. Mais il n'est pas non plus,
incompatible avec le réalisme, qu'il s'agisse du
réalisme des physiciens cosmologistes évoqué
plus haut, ou du réalisme positiviste qui inspire
encore de nombreux chercheurs dans de nombreuses sciences.
Disons simplement qu'il refuse de se faire embarquer dans
des développements métaphysiques destinés
à pallier les insuffisances de la théorie
ou de l'expérimentation.
L'émergence
remet en cause le primat du réductionnisme. Celui-ci
inspire au contraire la M. Théorie ou théorie
du Tout, puisqu'elle vise à donner en quelques
équations les recettes permettant de reconstruire
notre univers dans tous ses états, si l'on peut
dire. La M.Théorie repose sur le postulat qu'en
analysant les entités complexes de ce monde, par
exemple les atomes, on peut en extraire les éléments
fondateurs qui permettront ultérieurement de reconstruire
ces entités complexes ou de les modifier. Il s'agit
donc d'une démarche réductionniste analytique,
conforme à ce que proposait Descartes : réduire
le tout à ses parties, pour mieux le comprendre.
Mais pour un nombre croissant de physiciens, il s'agit
d'une entreprise vaine, reposant sur une erreur de conception
fondamentale. David Deutsch (voir http://www.automatesintelligents.com/biblionet/2004/jan/deutsch.html)
avait déjà constaté que la physique
théorique, à elle seule, n'était
pas capable d'expliquer la génération de
complexité correspondant à l'apparition
de la vie ou des grands systèmes cognitifs collectifs
propres aux sociétés humaines modernes.
Il fallait trouver un autre paradigme explicatif. Depuis
les travaux fondateurs de Stuart Kauffman (At Home in
the Universe, the Search for Laws of complexity and Organisation,
1996), on sait aujourd'hui que ce paradigme existe, c'est
celui de l'émergence. Il peut être formulé
d'une façon qui d'ailleurs n'est simple qu'en apparence
: le Tout ne peut être déduit des parties.
En forçant le trait, on dira que la théorie
de l'émergence prend acte de l'échec de
la pensée scientifique traditionnelle, analytique
et mathématique. L'émergence n'explique
pas tout, loin de là. Elle ne permet pas en général
de comprendre pourquoi tel phénomène complexe
apparaît. A fortiori elle ne permet pas de prévoir
comment évoluera ce phénomène. Elle
permet seulement d'affirmer que cette apparition n'est
pas due à un miracle mais qu'elle relève
d'un processus physique. Elle est un peu comparable en
cela à la théorie de la sélection
darwinienne en biologie. La diversification des espèces
s'explique en général par la sélection
darwinienne, mais le détail de celle-ci comme la
façon dont l'évolution se poursuivra à
l'avenir ne peuvent être explicités par ce
principe général. Ils ne peuvent qu'être
constatés a posteriori.
Au
plan d'une vision générale sur l'Univers,
la théorie de l'émergence ne permet pas
de comprendre immédiatement pourquoi le monde est
ce qu'il est et moins encore ce qu'il deviendra. Elle
permet juste de comprendre qu'aucune théorie réductionniste,
comme la théorie du Tout évoquée
ci-dessous, ne permettra jamais d'analyser et reproduire
la complexité du monde. Mais en vérité
elle fait beaucoup plus. Elle oblige, comme nous le verrons,
à ouvrir les yeux sur des problèmes non
résolus, voire insolubles en l'état, ce
qui aura le grand avantage d'éviter que leurs soient
données de fausses solutions. Parmi ces problèmes
non résolus se trouvent les mécanismes eux-mêmes
qui permettent l'émergence. Rien ne dit qu'ils
seront un jour explicités par la science. Sont-ils
généraux ou propres à tel ou tel
domaine de la matière et de la vie ? On ne peut
le dire encore. Mais il n'est pas interdit qu'à
force de travail et en évitant les fausses bonnes
solutions, on puisse en faire progressivement apparaître
quelques-uns.
La
théorie de l'émergence relève en
effet du domaine scientifique. Elle ne se borne pas à
constater l'hétérogénéité
ou la non-prédictabilité des phénomènes,
ce qui n'aurait aucun intérêt pratique. Lorsque
le scientifique constate l'apparition d'un phénomène
émergent, il a tout à fait le droit de l'étudier,
en faire la typologie, l'intégrer au corpus des
connaissances du moment. Il ne dira pas que le phénomène
émergent révèle la réalité
en soi du monde, il dira seulement qu'il s'intègre
à l'ensemble des relations établies ici
et maintenant entre un réel inconnaissable en essence,
des instruments permettant de générer des
phénomènes nouveaux et des esprits humains
générateurs de systèmes de représentation
symbolique. Dans cette perspective, le scientifique se
doit d'être d'abord un expérimentateur instrumentaliste,
aux yeux grands ouverts, comme nous l'avons dit. C'est
en effet en observant les phénomènes inattendus
générés par le fonctionnement des
appareils traditionnels ou nouveaux qu'il peut identifier
des émergences pouvant expliquer ces phénomènes.
Il ne prétend pas en faisant cela qu'il accède
à une quelconque réalité en soi,
à un quelconque univers fondamental. Il se borne
à dire qu'il construit une réalité
relative à lui et à ses observations, s'inscrivant
momentanément et parfois localement dans le devenir
de la société scientifique humaine, qui
constitue elle-même une émergence plus globale.
Mais
on peut penser que, même en ce cas, on ne pourra
pas utiliser les mécanismes de l'émergence,
à supposer qu'ils aient été compris,
à générer tel univers plutôt
que tel autre, sauf peut-être sur un plan très
local. Les résultats obtenus auraient en effet
de grandes chances d'être différents de ceux
attendus, ce qui ne permet pas de grandes ambitions. Il
faut se résoudre à vivre avec l'incertitude.
Mais c'est peut-être ainsi que notre univers est
devenu ce qu'il est.
La théorie de l'émergence ressemble ainsi
un peu, au plan épistémologique, à
la physique quantique. Celle-ci se refuse à postuler
l'existence d'un réel en soi. Elle se borne à
rassembler les interprétations relativisées
des phénomènes que les observateurs voient
émerger au travers de leurs instruments. A nouveaux
instruments, à nouveaux observateurs, nouveaux
phénomènes. Néanmoins, l'émergence
de ces nouveaux phénomènes permet de construire
un monde qui bien que reposant sur des fondements inexpliqués,
existe cependant en termes de réalité relativisée,
dans le monde macroscopique qui est le nôtre. La
physique quantique est typiquement constructiviste. Elle
construit un monde relatif à l'homme. On retrouvera
là Protagoras: "L’homme est la mesure
de toute chose". Mais l'homme n'est pas la seule
mesure des choses. Comme il n'est pas le seul organisme
complexe existant sur Terre, et dans la mesure où
le processus de qualification des émergences provenant
de l'univers quantique sous-jacent est accompli en permanence
par d'innombrables organisations physiques ou matérielles
en prise avec cet univers quantique, chacune de ces organisation
construit sa propre réalité relative. On
aura la réalité relativisée du termite
ou celle de la bactérie, qui coexistera et éventuellement
interagira avec la réalité relativisée
construite par l'Homme. Autrement dit, on aboutira au
monde complexe tel que la science humaine peut l'observer,
résultant de l'activité émergente
d'une infinité d'acteurs matériels et biologiques,
sur fond d'indétermination quantique.
La
théorie de l'émergence, au plan épistémologique,
ne dit pas autre chose.
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Présentation
de" A Different Universe"
Le
physicien Robert Laughlin s'est principalement intéressé,
au cours de sa carrière, à ce que l'on pourrait
appeler les états ou propriétés émergentes
de la matière, lorsque celle-ci est soumise en laboratoire
à des conditions extrêmes. L'exemple classique
en est la superconductivité, grâce à laquelle
des métaux conducteurs de l'électricité
n'oppose plus de résistance au courant lorsqu'ils sont
convenablement refroidis. Ce qui a frappé Robert Laughlin
est qu'il est généralement impossible de prévoir
les résultats d'une expérience lorsque les conditions
de celle-ci s'écartent un tant soit peu des normes
jusque là pratiquées L'effet Hall quantique(1),
dont il a assuré la formulation théorique, ce
qui lui a valu le prix Nobel, partagé avec ses deux
collègues, a ainsi été découvert
par hasard. Selon lui, aucune recherche a priori n'aurait
pu aboutir à ce résultat, car nul esprit humain
n'aurait été capable de l'imaginer. Pourtant,
l'effet Hall quantique est aujourd'hui à la source
de très nombreuses applications scientifiques et industrielles.
L'observation initiale a été rendue possible
par la conjonction, à un certain moment et en un certain
lieu, d'un instrument produisant des résultats inattendus
et d'esprits humains suffisamment alertes pour s'étonner
de ces résultats et chercher à les comprendre.
Il en est de même, selon lui, de toutes les découvertes
importantes de la physique moderne. On voit que pour lui,
l'émergence se produit à partir des composants
primaires de la nature, inconnus de nous, et elle intéresse
toutes les structures associant la matière et l'énergie.
Elle ne concerne donc pas seulement les phénomènes
biologiques ou leurs modèles informatique tels les
automates cellulaires, comme on le croit souvent. Cependant,
pour le grand public, c'est évidemment en biologie
et en anthropologie que le phénomène de l'émergence
est le plus visible et le moins discutable.
Robert
Laughlin n'ignore évidemment rien de la mécanique
quantique, dont il a eu en permanence à appliquer
les principes ou les résultats dans ses propres
travaux. Il a même été selon son éditeur
surnommé le Robert Feynman de sa génération.
Mais pour lui comme pour la plupart des physiciens, la
mécanique quantique ne permet pas de comprendre
l'univers en profondeur, et moins encore d'agir
sur lui. Elle permet juste d'interpréter
un certain nombre des phénomènes nouveaux
que révèle le développement des instruments
et des expériences, par exemple au sein des accélérateurs
de particules. Le monde quantique, dans ses profondeurs,
est et restera pour lui inconnaissable. C'est ainsi
que parler de vide quantique représente simplement
une façon de désigner quelque chose d'inconnaissable,
sous-jacent à la réalité matérielle,
dont on constate seulement telle ou telle manifestation
dans telle ou telle expérience. De même les
particules qui émergent du vide quantique ne sont
ni des ondes, ni des particules ni les deux à la
fois. Elles sont définitivement autre chose. Ceci
ne nous empêche pas de les utiliser, dans certaines
conditions.
Robert
Laughlin n'ignore pas plus la cosmologie que la
physique quantique. Mais là il se sépare
profondément des travaux des cosmologistes théoriciens
auxquels nous avons fait allusion dans le prologue à
cet article. Pour lui, toutes les hypothèses visant
à décrire de façon réaliste
les états passés, présents et futurs
de l'univers relèvent non seulement de la
science fiction mais d'une méconnaissance
profonde de ce qu'est selon lui l'univers,
c'est-à-dire le produit d'une émergence.
Il s'en prend particulièrement à la
Théorie du Tout, qui prétendrait trouver
une équation unique à partir de laquelle
on pourrait déduire toutes les autres formes de
connaissances. Cette ambition, triomphe du réductionnisme,
selon laquelle les lois des mécanismes élémentaires
permettent de déduire la loi du système
complexe, ignore dramatiquement selon lui la théorie
de l'émergence.
Nous
nous bornerons dans cet article à une analyse rapide
de « A Different Universe, Reinventing Physics
». Nous renvoyons à un prochain article
les commentaires que peuvent suggérer les propos
souvent passionnés et sans doute parfois contestables
qui font la richesse et l'originalité du
livre.
Robert
Laughlin n'est pas un philosophe des sciences à
proprement parler. Autrement dit, son livre fait un large
appel aux affirmations et jugements affectifs plutôt
qu'à de longs raisonnements. On regrette
souvent qu'ayant évoqué tel ou tel
thème prometteur, il l'abandonne pour une
anecdote personnelle qui n'apporte pas grand-chose
à la démonstration. De la même façon,
il apparaît plus critique que constructif. Ainsi,
après nous avoir affirmé que les nanotechnologies,
très en vogue actuellement, se limitaient à
propager les illusions d'une mythologie réductionniste,
il ne nous montre pas par quelles autres perspectives
les remplacer, sauf à dire que l'univers
dans ses profondeurs n'est pas connaissable autrement
que par des propriétés émergentes
dont l'analyse est très difficile. Par ailleurs,
bien que de lecture apparemment facile, son livre multiplie
les allusions à des phénomènes physiques
difficiles, qu'il ne décrit pas, renvoyant
le lecteur une simple note de référence
qui n'explique rien. Ainsi des phénomènes
jouant un rôle essentiel dans ses démonstrations,
comme la superfluidité et la superconductivité,
l'effet Josephson ou l'effet Casimir. Il est
un peu plus explicite concernant l'effet Hall quantique,
dont l'interprétation théorique lui
a valu le prix Nobel, mais là encore le lecteur
non physicien ne pourra se passer d'informations
complémentaires à rechercher dans un manuel
ou sur le web
Comment
résumer la façon dont Robert Laughlin nous
invite à considérer l'émergence
? Il s'agit certainement d'un non-réalisme,
très voisin nous l'avons dit de celui de
la mécanique quantique. Il n'est pas possible
de décrire objectivement un réel en soi.
On ne peut parler que de ce qu'un observateur-acteur
observe et qualifie au travers d'un instrument d'observation.
Plus généralement, on ne peut pas déduire
mais seulement induire. Le terme d'émergence,
qui intéresse précisément l'ensemble
des domaines scientifiques, implique finalement que le
chercheur sera toujours surpris par ce qu'il verra
apparaître et qu'il ne pourra jamais le rattacher
au jeu de règles plus élémentaires
supposées avoir déjà été
élucidées.
Pour
comprendre les grands systèmes auxquels nous avons
affaire dans la nature, il n'est pas nécessaire de
connaître les lois qui régulent leurs composants
microscopiques, mais seulement les principes d'organisation
collective qui permettent leur apparition. Plus généralement,
ce ne sont pas les lois des parties qui expliquent l'émergence
de l'organisation, mais plutôt cette dernière
qui donne un sens et des lois aux parties. Ceci signifie notamment
qu'il est illusoire de prétendre que la connaissance
des lois élémentaires, intéressant par
exemple les particules quantiques et les processus chimiques
à l'oeuvre dans la nature, suffiront à décrire
et prédire exhaustivement l'ensemble du monde auquel
nous avons affaire. Robert Laughlin, reprend là le
combat jamais clos contre les prétentions du réductionnisme
(du démon de Laplace) à pouvoir nous dire de
quoi est fait le monde et vers quoi il va. Certes, comme tous
les scientifiques, il reconnaît ne pas pouvoir éviter
d'être réductionniste, c'est-à-dire rechercher
d'abord d'éventuelles causes élémentaires
ou premières aux phénomènes encore incompris.
Mais il refuse les abus du réductionnisme, conduisant
à penser qu'aujourd'hui la science a tout compris et
n'a plus rien de profond à découvrir.
Ce
triomphalisme touchant à l'ubris est typiquement
américain et fait suite aux grands succès
des applications scientifiques et technologiques dont
les Etats-Unis se sont enorgueillis dans les années
1980-90. Un certain nombre de philosophes ont annoncé
la fin de la science, ou plutôt la fin de la nécessité
de la recherche scientifique (par exemple John Horgan,
The End of Science, 1997) sous prétexte
que la science avait découvert les lois fondamentales
de la matière et de l'énergie. Robert
Laughlin affirme qu'ils se toujours trompés.
On le suit bien volontiers dans cette conviction. Les
ouvrages et articles de science faisant la liste des points
et domaines dans lesquels plane encore le plus épais
mystère sont de plus en plus nombreux en ce début
de 21e siècle.
Les
systèmes complexes, comme les événements
météorologiques, sont régulés
par les lois de leurs composants microscopiques (en l'espèce
les atomes des molécules d'eau) mais dans le même
temps leurs aspects les plus sophistiqués sont insensibles
à ces lois et parfois même en contradiction avec
elles. L'organisation en ce cas prend le dessus sur les parties
et les transcende. Le concept d'organisation ne désigne
pas seulement un principe théorique mais un phénomène
du monde physique, aussi « réel » que les
phénomènes microscopiques. Ceci s'applique évidemment
aussi aux êtres vivants et à l'homme lui-même.
Pour Robert Laughlin, comme il l'explique dans sa préface,
ce point de vue doit être poussé jusqu'au bout
Tous les systèmes physiques étudiés par
la science découlent de mécanismes d'organisation
collective, et pas seulement les plus complexes. Il est illusoire
de distinguer des lois fondamentales dont découleraient
des lois subordonnées. Ceci entraîne la conclusion
que la prétention consistant non seulement à
identifier ces lois fondamentales, mais à leur donner
une formulation mathématique qui permettra ensuite
de représenter par des équations les systèmes
émergents à base d'organisation est également
une illusion.
Il
en résulte que la recherche des lois physiques, à
quelque niveau qu'elle se fasse, ne peut se faire par la déduction.
Elle doit faire appel à l'expérimentation, seule
à même de faire apparaître les phénomènes
complexes d'organisation que l'on serait conduit à
ne pas voir en s'en tenant aux explications par les lois élémentaires.
Mais encore faut-il expérimenter avec une grande ouverture
d'esprit. Il ne nous dit pas clairement comment acquérir
celle-ci. Peut-être considère-t-il qu'il s'agit
d'un don. Pour ce qui le concerne, il bénéficie
sans doute de ce don, car il nous propose dans son livre une
liste d'hypothèses véritablement révolutionnaires
au regard des idées courantes en physique et en cosmologie
: le vide de l'espace-temps ne serait pas un vide mais un
état de la matière, le principe de relativité
générale n'est pas fondamental (autrement dit,
la gravitation ne serait pas universelle), il existerait des
barrières épistémologiques infranchissables
à la connaissance théorique comme d'ailleurs
à la falsification expérimentale de certaines
théories. Plus généralement, comme nous
l'avons indiqué, il considère qu'une partie
essentielle de la physique théorique relève
de la mythologie, et n'est pas très différente
en ce sens de croyances religieuses. Loin d'être explicable
comme l'annonce cette mythologie (Voir par exemple L'Univers
élégant de Brian Greene et le second ouvrage
de celui-ci, de la même veine, trop récent pour
être cité The Fabric of the Cosmos: Space, Time,
and the Texture of Reality, février 2005 »),
le monde reste empli de choses pour le moment incompréhensibles,
à commencer par nous-mêmes. La science doit nous
aider à les comprendre en nous mettant, grâce
à la force brute de l'expérimentation, elle-même
constamment rendue plus efficace grâce à l'évolution
technologique, en présence de phénomènes
que nous n'avions pas vus jusqu'ici et qu'il nous faudra bien
introduire dans notre représentation générale
du monde.
Vivre
avec l'incertitude
Les
biologistes admettent que l'incertitude est inséparable
de leurs représentations de la nature. On ne peut
jamais prédire exactement, en s'appuyant
sur les lois censées réguler les composants
biologiques, la façon dont se comportera un système
biologique associant plusieurs de ces composants. Mais
ceci pour Robert Laughlin se manifeste à tous les
niveaux d'organisation du vivant, de la molécule
biologique à l'homme. Pour les physiciens,
il importe au contraire d'éliminer l'incertitude,
laquelle ne peut découler que d'expérimentations
insuffisantes. Ceci les conduit à procéder
à des mesures de plus en plus précises.
Faire apparaître des erreurs de mesure conduit logiquement
à remettre en cause une théorie jusque là
admise. Mais le fait d'obtenir une très grande
précision dans la mesure ne doit pas conduire à
penser que le phénomène est définitivement
décrit et maîtrisé. La physique contemporaine
repose sur la connaissance de ce que l'on appelle
des constantes universelles. Il s'agit en réalité
d'expériences donnant un résultat
universel. Il en existe dix à vingt, telle la vitesse
de la lumière dans le vide ou la constante de Rydberg.
Mais le caractère apparemment universel de telles
expérimentations est un piège. Il conduit
à faire penser que ces constantes ont mis en évidence
les briques primitives à partir desquelles est
construite la réalité.
Ainsi,
si la vitesse de la lumière apparaît constante
aujourd'hui, ce serait parce que la lumière
serait une composante élémentaire de l'univers.
Or prendre en considération les phénomènes
d'émergence montre que cette constante elle-même
résulte d'un phénomène d'organisation
sous-jacent. La lumière pourrait être le
produit d'une émergence. Fondamentalement,
derrière les constantes, on peut retrouver si on
s'en donne la peine l'incertitude et l'inconnu.
Toutes les constantes dites fondamentales requièrent
un contexte environnemental organisationnel pour prendre
un sens. La réalité quotidienne est un phénomène
d'organisation collective, se traduisant par des
« vérités » statistiques ou
probabilistes (ce qu'on dit depuis longtemps les
biologistes comme les physiciens quantiques). On peut
pour des besoins pratiques, dans le monde quotidien, décrire
les objets macroscopiques comme des constructions d'atomes
situés dans l'espace-temps newtonien, mais
l'atome isolé n'est pas newtonien.
C'est une entité quantique « éthérée
» manquant de la première des caractéristiques
du monde newtonien, la possibilité d'être
défini par une position identifiable. Ceci apparaîtra
non seulement dans les expériences de la physique
quantique, mais dans les expériences de la physique
des matériaux et des états de la matière
intéressant la vie quotidienne. Les physiciens
s'intéressant aux phénomènes
macroscopiques doivent donc eux aussi apprendre à
gérer l'incertitude née de l'émergence,
considérée comme un aspect incontournable
de toute « réalité » et la voie
permettant d'accéder à de nouvelles
découvertes.
Répétons-le,
ceci concerne des phénomènes de la vie quotidienne,
dans lesquels le public ne voit généralement
aucun mystère alors qu'ils demeurent pour
Robert Laughlin pleins d'inconnu. Il cite l'exemple
des différentes phases permettant à la matière
de passer d'un état à l'autre,
par exemple du gazeux au liquide et au solide. Il s'agit
de phénomènes d'organisation mal compris.
On a ainsi mesuré que l'eau pouvant adopter
onze phases cristallines distinctes, selon les circonstances.
Certes des lois microscopiques expliquent certainement
cette propriété, sinon il s'agirait
d'un miracle, mais on ne sait pas montrer de façon
déductive pourquoi et comment elles le font, c'est-à-dire
en fait expliquer et maîtriser le phénomène
d'émergence par auto-organisation qui se
manifeste en ce cas.
Les
lois de la matière émergente, par exemple
les lois de l'hydrodynamique, peuvent être
observées et même représentées
par des formules mathématiques globalement satisfaisantes
à grande échelle mais elles ne peuvent être
calculées à partir de principes premiers,
même si ceux-ci restent hautement plausibles. Il
en est de même de la superfluidité et de
la superconductivité, déjà évoquée
dans cet article. Il s'agit, nous dit Robert Laughlin,
de versions fluides d'un état cristallin
solide, dont les applications industrielles sont dorénavant
nombreuses. Ces états illustrent un mécanisme
de plus en plus évoqué en physique, y compris
en ce qui concerne les origines de la vie, la brisure
de symétrie. On décrit celle-ci en disant
que la matière peut spontanément et collectivement
adopter des types d'organisations préférentiels
qui n'étaient pas sous-jacents dans le niveau
d'organisation précédent. On dit que
la « décision » prise par la matière
est aléatoire, parce que rien ne pouvait la laisser
prévoir. Mais une fois prise, la décision
est ferme et définitive. On peut toujours supposer
que le « choix « de la matière est
déterminé par une cause matérielle
quelconque, mais on ne peut pas mettre cette cause en
évidence. On parle donc de lois d'organisation
émergentes s'appliquant aux grands nombres.
Robert
Laughlin consacre le chapitre 5 de son livre à
la mécanique quantique, notamment au processus
de la mesure. Là aussi il met en garde contre la
tentation d'expliquer par des termes du langage
courant, masquant l'irréductibilité
du monde quantique sous-jacent, des phénomènes
comme l'intrication. Il nous rappelle que la matière
quantique n'est pas faite d'une superposition
d'ondes et de particules, comme on le dit souvent.
Elle est faite ni d'ondes ni de particules, mais
de quelque chose de différent, qu'il faut
se résoudre à qualifier de « rien
» ou d'« autre chose » sans chercher
à en définir l'essence. Mais cela
n'empêche pas d'utiliser la fonction
d'onde pour représenter l'entité
quantique avec la précision nécessaire aux
applications de plus en plus nombreuses requises par la
technologie moderne.
Ceci
étant, et en cela Robert Laughlin se distingue
d'un certain nombre de physiciens quantiques, le
fait que la matière quantique « appartienne
à un autre monde » (otherworldliness) ne
justifie pas des « interprétations »
qui selon lui relèvent de la métaphysique,
parce qu'elles tentent de justifier le monde quantique
en fonction des comportements collectifs qui en émergent,
plutôt que l'inverse. Ainsi on parlera d'univers
multiples ou d'univers « anthropique »
(fait pour l'homme) simplement parce que l'on
ne sait pas expliquer pourquoi l'univers quantique
nous apparaît tel qu'il nous apparaît.
Robert Laughlin rejoint ainsi les nombreux physiciens
qui ne cherchent pas à qualifier l' «
étrange » matière quantique en termes
de réalisme objectif et préfèrent
s'en tenir aux données expérimentales
nécessairement probabilistes qu'ils peuvent
en obtenir à travers leurs instruments. Le livre
est riche en nombreux exemples montrant que les théories
ayant successivement servi a expliquer des phénomènes
physiques importants tels que la super-conductivité,
le vide quantique ou la transmission du son dans la matière
(via des particules quantiques de son dite phonons) ont
négligé les phénomènes d'états
émergents et ont été conduites à
sur-théoriser (over-theorize). Il vaut mieux s'en
tenir à ce que l'on sait afin de s'en
servir pour comprendre ce que l'on ne sait pas encore,
plutôt qu'inventer des univers adéquats,
purement mathématiques et non vérifiables.
Les
exemples et les arguments développés par
l'auteur sont très techniques et ne peuvent
être repris ici, mais la leçon générale
est claire. Les mythologies mathématiques visent
à justifier des descriptions réductionnistes
du monde sub-atomique qui ne s'imposent pas et qu'aucun
instrument ne pourra jamais vérifier, à
échelle humaine tout au moins. Il est plus économique
et plus profitable de postuler que le vide quantique est
une phase de la matière et que la lumière
elle-même est une propriété émergente
de celle-ci, comme – si nous avons bien compris
– la gravité sur laquelle Einstein a fondé
la relativité générale et qui crée
tant de difficultés aux physiciens quand ils cherchent
à la rendre compatible avec la mécanique
quantique. Selon l'auteur, Einstein aujourd'hui,
en homme de bonne foi qu'il était, reconnaîtrait
en ré-examinant les faits désormais disponibles,
que son « cher » principe de relativité
n'est pas fondamental mais émergent. Il s'agit
d'une propriété collective de la matière
constituant l'espace-temps, qui devient progressivement
exacte aux grandes échelles mais ne se retrouve
pas aux échelles microscopiques. « Ceci voudrait
dire que les principes d'organisation de l'espace-temps
ne concernent pas seulement les niveaux où la vie
est apparue, mais quelque chose de beaucoup plus profond,
qui reste à découvrir » (p. 126).
On
conçoit que, sur cette lancée, Robert Laughlin
ne se limite pas à une remise en question de la
théorie de la relativité générale.
Il s'en prend à l'idée très
répandue aujourd'hui, y compris en technologie,
que les éléments simples peuvent à
eux seuls générer des structures complexes,
sans faire appel à des principes d'organisation
plus généraux. C'est cet espoir, selon
lui, qu'entretiennent les promoteurs des nanotechnologies.
Il qualifie ces dernières de carnaval des colifichets
(Carnival of the Baubles). L'idée que l'on
puisse construire de façon contrôlée
des objets macroscopiques à partir d'une
manipulation d'atomes individuels lui parait une
illusion. Les technologies permettant d'obtenir
des nanoproduits tels que les nanotubes ou nanocristaux
sont extrêmement violentes ou complexes et donc
loin d'être utilisables de façon économique.
Les processus d'auto-organisation utilisés
par la nature sont tout différents mais ne sont
pas encore reproductibles par l'homme. Il n'est
pas exclu qu'ils le deviennent un jour, de sorte
par exemple qu'il soit possible de reproduire le
« miracle » de la transmutation de la matière
et mieux encore, celui de la vie, mais il faudra pour
cela beaucoup étudier et expérimenter, en
inventant des processus de pensée tout à
fait nouveau. La physique en est loin actuellement, car
elle ne s'est même pas aperçue du fait
qu'elle ne disposait pas des processus de pensée
en question.
Un
mystère bien protégé
Si
l'on considère qu'il est fondamental
de comprendre comment fonctionnent les lois de l'organisation
permettant à la complexité d'émerger,
il faudrait rendre prioritaire l'étude de
ces lois. Mais si cela n'a pas encore été
fait, c'est pour différentes raisons que
Robert Laughlin s'efforce d'aborder dans la
suite de son livre. Un mécanisme qu'il appelle
la protection permet à un système complexe
de conserver un fonctionnement homéostatique même
si ses composants tombent en panne ou manifestent des
incohérences locales. Il s'agit d'une
sorte d'aptitude à l'autoréparation
qui est bien connue dans le vivant mais qui existe aussi
dans les systèmes physiques naturels, y compris
les plus élémentaires, comme la conservation
de la stabilité de phase dans un métal ou
un liquide. Mais ce mécanisme de protection présente
un inconvénient pour l'observateur (The dark
side of protection), c'est qu'il dissimule
ce qui se passe exactement aux niveaux atomiques et sub-atomiques.
Il faudrait pouvoir observer la matière à
ces niveaux. Mais, comme on se trouve alors soumis aux
règles de la physique quantique, l'observation
détruit généralement ou transforme
l'entité observée. On pourrait compter
sur un phénomène général nommé
l'invariance d'échelle pour extrapoler
à partir de l'observation de petits échantillons
comment pourrait se manifester l'émergence
de nouvelles propriétés dans des échantillons
plus grands (renormalisation). Mais les petits échantillons
peuvent évoluer de multiples façons et rien
ne garantit que cette évolution aboutira au type
de complexité que l'on voudra expliciter
dans un échantillon plus grand. Autrement dit,
la renormalisation ne garantit pas la conservation du
caractère étudié en cas de changement
d'échelle. On parle alors de non-pertinence
(irrelevance), ce qui signifie « condamné
par les principes d'émergence à être
trop petit pour être mesurable ».
Il
est particulièrement pénalisant de ne pas
pouvoir observer ce qui se passe dans les moments critiques
correspondant aux transitions de phases, lorsque le système
jusque là bien équilibré à
la frontière de deux phases semble avoir du mal
à prendre la décision de se réorganiser.
Il apparaît alors un facteur causal qui grandit
progressivement au point de devenir observable ou pertinente
(relevant) et qui provoque le changement d'état.
La protection initiale disparaît alors. Mais ce
facteur effectivement causal est généralement
dissimulé par de nombreux autres facteurs qui ne
le sont pas. Ceci rend l'observation très
difficile. Lorsque la protection devient instable, phase
critique pour lui, l'observateur peut prendre pour
un phénomène pertinent ce qui ne l'est
pas et ne pas apercevoir la vraie cause du changement
d'état qu'il voudrait mieux comprendre,
afin de l'utiliser ou de mieux se prémunir
contre ses effets.
En
ce qui concerne la compréhension du phénomène
de la vie, Robert Laughlin exprime la même défiance
à l'égard des biotechnologies qu'il
l'a fait à propos des nanotechnologies. Il
considère que les généticiens, par
exemple, ne savent pas ce qu'ils font car ils n'ont
pas compris l'essentiel, la machinerie qui permet
aux gènes de fabriquer des protéines par
l'intermédiaire de l'ARN messager.
Le processus apparaît comme incompréhensible
(intractable) parce que la transcription exploite les
principes de l'instabilité collective et
relève donc de la « protection » telle
qu'il la définit, laquelle engendre l'impossibilité
de comprendre ce qui se passe exactement sous le couvert
de ladite protection. Si le processus de transcription
a émergé et s'est conservé
dans l'ensemble des systèmes vivant, c'est
parce qu'il s'est révélé
nécessaire au maintien de la vie. Mais cela ne
signifie pas qu'il nous devienne compréhensible.
Robert Laughlin considère en tous cas qu'il
est et demeurera fondamentalement incompréhensible
si on se limite à l'étude microscopique
réductionniste de la régulation génétique,
ceci quels que soient les crédits consacrés
à la recherche biologique. On accumulera les fausses
pistes sans jamais trouver la bonne, qui sera sans doute
toute différente. La biologie se heurte là
à ce qu'il nomme les barrières de
pertinence (Barriers of Relevance).
Faute
d'avoir pu comprendre le rôle de l'instabilité
collective dans le contrôle des systèmes
complexes, les biologistes en sont réduits à
des explications idéologiques, qu'il nomme
des anti-théories. Le propre d'une anti-théorie
idéologique est qu'elle n'entraîne
pas de conséquences susceptibles d'être
testées. Un exemple de telles anti-théories,
selon lui, est le darwinisme. La théorie de la
sélection darwinienne a d'abord été
utile car elle a donné lieu à de nombreuses
hypothèses testables. Mais elle est devenue ensuite
une sorte de paradigme philosophique, susceptible d'expliquer
tout et son contraire.
L'Age
de l'Emergence
La
science, selon Robert Laughlin, découvre donc aujourd'hui
une nouvelle frontière, celle de l'émergence.
Mais elle est encore loin de disposer des outils lui permettant
de faire face aux défis qui en résultent. Deux
types de « lois « continueront à s'opposer,
la loi des parties et la loi du collectif. Autrement dit la
science balancera toujours entre deux Ages, celui du Réductionnisme
et celui de l'Emergence. Mais aujourd'hui, il est indispensable
de comprendre que les succès indéniables du
réductionnisme, justifiant notamment le pouvoir absolu
des mathématiques, ne doivent pas faire oublier les
frontières qu'il atteint. Il faut aborder l'Age de
l'Emergence, y compris en acceptant toutes les fausses explications
qui peuvent momentanément résulter d'une recherche
nécessairement aléatoire des processus générant
l'émergence. Or la science et plus généralement
la société ne paraissent pas en état
de la faire. Vivre à l'âge de l'Emergence signifie
nous l'avons vu vivre avec l'incertitude, et cela la société
ne l'accepte pas. Sous des pressions diverses, y compris politiques
et économiques, la science a tendance à tenter
de sauver le réductionnisme en inventant des mythologies
que Robert Laughlin compare aux anciens Dieux de l'Olympe,
destinés à rassurer les hommes. Parmi ces mythologies,
nous l'avons dit, il range les hypothèses concernant
les premiers instants du Big Bang, l'ère inflationnaire,
la génération de bébé-univers,
le principe anthropique, la théorie des cordes au niveau
subatomique et tout ce qui fait aujourd'hui la réputation
d'une certaine physique théorique renonçant
à la possibilité d'être vérifiée
de façon instrumentale.
Robert
Laughlin ne refuse pas l'utilisation des grands instruments
en astronomie ou en physique(2).
Il ne refuse pas la recherche de mesures de plus en plus précises.
Mais il voudrait que ces instruments soient utilisés
les yeux grands ouverts sur l'insolite voire à l'incompréhensible
qu'ils pourraient révéler. Il s'agit d'une démarche
difficile, non programmable par le pouvoir politico-scientifique,
qui repose essentiellement sur la liberté d'esprit
et de création des chercheurs. Il fait le pari que,
malgré le poids des appareils, de tels chercheurs existeront
toujours, du moins dans les démocraties(3).
Notes
(1) Qu'est
ce que l'Effet Hall quantique, théorisé
par Robert Laughlin, travail qui lui a permis d'obtenir le
Prix Nobel?
Qu'est-ce
d'abord que l'effet Hall?
Voir http://www.cem2.univ-montp2.fr/cours/Projet2002/ProjetsMaitrise/P1/Presentation.html
dont nous publions des extraits ici.
Voir aussi une présentation plus détaillée
http://www.theo.phys.ulg.ac.be/~lansberg/imagesite/hall2cp/2701.htm
La
découverte remonte à 1879 lorsque le physicien
américain Edwin Herbert Hall, étudiant en
thèse du professeur Rowland de l'université
Johns Hopkins de Baltimore, plaça une feuille d'or
dans un champ magnétique et lui appliqua un courant
électrique.
Il observa alors une tension perpendiculaire à
la direction du courant et à celle du champ magnétique.
Cette tension transverse, dite tension de Hall VH,
résulte de la force de Lorentz FL qui
dévie la trajectoire des électrons vers
un bord de la feuille, entraînant une accumulation
de charges négatives sur ce bord, un excès
de charges positives sur l'autre bord, et l'apparition
d'un champ électrique E.
L'équilibre est atteint lorsque la force électrique
FE, due au champ de Hall, compense la force
de Lorentz. Une tension VH, perpendiculaire
au courant I, peut être alors mesurée. Celle-ci
est proportionnelle à la densité de flux
magnétique B, alors que la tension longitudinale
Vxx, liée aux processus classiques de diffusion
des électrons dans le métal, reste faible
et constante en présence d'un champ magnétique.
La tension de Hall VH, ou la résistance
de Hall RH, est une grandeur intéressante
à mesurer dans le domaine de la magnétométrie.
Cette mesure présente aussi un grand intérêt
dans la caractérisation des semi-conducteurs au
cours de leur élaboration. La mesure de VH
donne en effet accès aux paramètres principaux
d'un semi-conducteur, à savoir la nature des porteurs
(électrons ou trous), leur densité n et
leur mobilité µ.
L'Effet Hall possède des utilisations dans des
domaines variés et très différents.
Par exemple, il est utilisé dans les gaussmètres,
les ampèremètres, les wattmètres,
les moteurs à courant continu, les multimètres
analogiques, les compas magnétiques et de nombreux
autres instruments et dispositifs. Ceci sous forme de
sonde à Effet Hall, qui est une sonde magnétique
utilisant l'effet Hall et dont la réponse est proportionnellle
au champ magnétique.
L'effet
Hall quantique
(voir http://www.lne.fr/fr/r_et_d/metrologie_electrique/metrologie_electrique_quantique_EHQ.shtml)
L'effet
Hall quantique est observé sous certaines conditions:
- le mouvement des électrons doit être restreint
de telle manière qu'ils ne puissent se mouvoir
que dans un "flatland" à deux dimensions;
Ceci peut être accompli en confinant les électrons
dans une couche extrêmement fine d'un semi-conducteur,
ainsi les transistors à effets de champ de types
MOSFET sont un terrain d'exploration très fructueux.
- la température doit être très basse
(aux alentours de 4.2 K ou en dessous).
- un champ magnétique très intense (de l'ordre
de 10 Tesla) doit être utilisé.
Le champ magnétique, appliqué perpendiculairement
à la couche de semi-conducteur, produit la tension
transversale de Hall, VH, comme pour l'effet
Hall ordinaire. Le rapport entre VH et le courant
est la résistance de Hall.
Toutefois, à certaine valeur de température,
la conductivité et la résistivité
du solide tombe à zéro, comme dans le cas
des supraconducteurs. Le graphique de résistance
de Hall en fonction de B fait apparaître des marches,
qui correspondent aux valeurs pour lesquelles la conductivité
vaut zéro. Rxx et Rxy sont respectivement la résistance
longitudinale et transversale
L'effet Hall quantique (EHQ) est observé à
très basse température (<1 K) dans un
gaz électronique à deux dimensions de haute
mobilité (µ > 2 T-1), soumis
à un fort champ magnétique perpendiculaire
au plan de conduction. Un gaz électronique bidimensionnel
peut par exemple être réalisé dans
un transistor MOSFETou dans une hétérostructure
en GaAs/AlGaAs. Si l'on mesure la résistance de
Hall en fonction de la densité de flux magnétique
B dans ces conditions expérimentales, des plateaux
de résistance constante apparaissent. La résistance
de Hall RH est quantifiée sur ces plateaux
et la relation Rh=h/i-e2 s'applique,
i étant un nombre entier.
La résistance h/e2 est également
appelée constante de von Klitzing RK.
La résistance longitudinale de l'échantillon
révèle un comportement oscillatoire marqué
(effet Shubnikov de Haas). Les plateaux de résistance
Hall coïncident avec des minima étendus de
la résistance longitudinale. Aux plus basses températures,
la résistance dans ces minima devient infiniment
petite et ne peut plus être mesurée. Par
conséquent, pour le zéro absolu de température
au moins, le transport de courant à travers l'échantillon
s'effectue sans perte.
Application métrologique
L'effet Hall quantique est utilisé par la plupart
des Instituts nationaux comme résistance étalon
primaire depuis le 1er janvier 1990. A cette fin, le Comité
international des poids et mesures (CIPM) a fixé
la constante de von Klitzing RK à une
valeur de RK-90 = 25812.807 W
, soit la meilleure valeur possible pour l'état
des connaissances à l'époque de la détermination.
L'incertitude relative de cette constante dans le SI est
d'environ 2 x 10-7 et est ainsi deux ordres
de grandeur supérieure à la reproductibilité
basée sur l'effet Hall quantique. L'incertitude
au sein du SI n'a cependant d'importance qu'en cas de
combinaison d'unités électriques et mécaniques.
Un pont de mesure de résistances de haute précision
permet de comparer des résistances étalons
traditionnelles (100 W and 10
W ) à la résistance
de Hall quantique et par-là même de les étalonner
de manière absolue. Ces résistances étalons
servent dans une étape ultérieure d'étalons
de transfert pour étalonner des étalons
de clients. La structure de mesure mise en place par METAS
permet de comparer une résistance étalon
à la résistance de Hall quantique avec une
précision relative de 1x10-9. Cette
incertitude de mesure a été confirmée
en novembre 1994 lors de la comparaison directe avec l'étalon
de Hall quantique transportable du BIPM.
L'effet Hall quantique intégral est dû, (en
partie seulement), à la présence d'un gap
d'énergie (celui entre les niveaux de Landau).
Pour expliquer l'effet Hall quantique fractionnaire, il
est essentiel de considérer l'effet des interactions
coulombiennes entre électrons. Dans ce cas, c'est
l'ensemble du gaz d'électrons qui doit être
décrit par une fonction d'onde (une fonction d'onde
à N particules). L'étude des deux effets
Hall quantiques est un domaine de recherche très
actif de la physique de la matière condensée
où sont introduites des idées comme les
charges électriques fractionnaires, les anyons,
les excitations topologiques (skyrmions et mérons),
les états de bords, etc.
L'effet Hall quantique est aujourd'hui un défi
pour la physique théorique. De façon surprenante,
des structures mathématiques riches ont pu être
dégagées des résultats expérimentaux.
De la même manière que la spectroscopie a
influencé le développement de la mécanique
quantique, ces structures sont des guides incontournables
pour la modélisation et la compréhension
de ce phénomène.
(2) On
peut aussi faire de grandes découvertes avec de
petits instruments, dès que l'on garde les yeux
ouverts. Ce fut le cas en ce qui concerne l'effet Hall
quantique mais ce pourrait être le cas de bien d'autres
effets dont on parle actuellement, par exemple la fusion
crystollique, à ne pas confondre avec la fusion
froide. (voir NewScientist http://www.newscientist.com/channel/fundamentals/mg18624974.100
).
(3) Le
livre est empli de nombreuses autres considérations
sur le développement des sciences et des technologies,
inspirées de l'expérience de l'auteur. Faute
de place, nous ne les reprendrons pas ici. Manifestement,
l'auteur a su se ménager une part de libre créativité
et d'indépendance propre à l'esprit universitaire,
dans des travaux financés par les militaires ou
par les grandes entreprises de télécommunication.
Il considère un peu comme un modèle à
cet égard l'excentrique et génial John Bardeen,
inventeur du transistor et Prix Nobel lui-même Mais
même le monde universitaire n'est pas exempt (ce
dont nul ne doute) de rivalités, de mesquinerie
et de manque d'imagination, qu'il illustre par diverses
anecdotes. Le lecteur français, pour sa part, ne
manquera pas de constater l'absence quasi-totale de référence
faites aux travaux de nos compatriotes. On ne sait si
l'auteur les ignore ou les considère comme négligeables.
Il est vrai que le milieu très spécial des
Prix Nobel, qu'il a été conduit à
fréquenter, n'est pas très pourvu en représentants
de la science française, quoi qu'on en dise dans
notre pays.
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Emergence
et réalité
En
quoi consiste exactement la réalité dans
laquelle nous vivons, et que sommes-nous nous-mêmes
au sein de cette réalité ? Les mystiques
donnent à cette question fondamentale des réponses
toutes faites. Mais il n'y a pas qu'eux. Les philosophies
s'interrogent en permanence: pourquoi quelque chose plutôt
que rien? Un certain nombre de personnes (encore minoritaires
au sein de l'humanité contemporaine) se tournent
vers la science pour essayer d’y voir clair. On
estime généralement que celle-ci ne pourra
sans doute jamais fournir de réponses définitives,
mais qu’avec le progrès général
des connaissances scientifiques, elle offrira des perspectives
de plus en plus précises. C’est la raison
pour laquelle la presse scientifique de vulgarisation
attire de nombreux lecteurs, même lorsque ceux-ci
ne sont pas personnellement engagés dans des recherches
scientifiques ou dans des développements technologiques.
C’est également la raison pour laquelle les
contribuables admettent volontiers que des budgets non
négligeables soient consacrés à des
projets ou des équipements sans applications économiques
immédiates, par exemple les satellites d’observation
céleste ou les grands accélérateurs
de particules. Pour un esprit curieux, aimant le suspense
de la meilleure qualité qui soit, il n’est
pas de jours sans un évènement intéressant,
lui permettant de progresser dans la compréhension
de l’univers.
Ceci
signifie que la grande majorité des gens, scientifiques
ou non, sont « réalistes » au sens
où nous l’avons défini dans de précédents
articles. Ils sont convaincus qu’il existe une «
réalité en soi », existant objectivement
c’est-à-dire indépendamment des hommes,
mais néanmoins susceptible d’être décrite
par la méthode scientifique expérimentale.
Celle-ci consiste à observer la réalité,
y repérer des constantes que l’on qualifiera
de lois, déduire de ces lois des hypothèses
permettant d’en vérifier la pertinence et
finalement réaliser les expériences donnant
la possibilité de valider ou « falsifier
» ces hypothèses. Le tout doit être
fait de la façon la plus universelle possible,
c’est-à-dire en évitant de se laisser
contaminer par des points de vue subjectifs et en soumettant
constamment le résultat de ses travaux à
la communauté scientifique. A la question philosophique
consistant à se demander par quel privilège
les hommes auraient la possibilité d’élaborer
des lois décrivant plus ou moins complètement
l’univers, on répondra généralement
que c’est parce que, issus eux-mêmes de cet
univers et gouvernés en partie par ces lois, les
hommes peuvent tout naturellement en donner des reflets
relativement fidèles.
On
sait que dans le monde de la réalité quotidienne,
celle dans laquelle nous vivons et survivons, la méthode
scientifique expérimentale ainsi résumée
est généralement tenue comme susceptible
de donner à l’action humaine des résultats
fiables. Les observations de Newton relatives à
la chute des corps lui ont permis d’élaborer
les lois de la gravité, définissant un espace-temps
dans lequel les grandes constructions humaines, qu’il
s’agisse pour nous du viaduc de Millau ou de l’Airbus
A 380, sont obligées de s’inscrire. De plus,
quand nous regardons la nature, nous constatons qu’il
n’y a pas que les hommes qui doivent s'accomoder
de la loi de la pesanteur. Tous les animaux, tous les
végétaux, tous les corps matériels
y sont également soumis. On est donc tenté
de considérer que la gravitation fait partie des
constantes universelles à partir desquelles on
pourrait inférer l'existence d'un univers en soi.
L’introduction
par Einstein de la relativité spéciale puis
celle de la relativité générale furent
difficile à accepter par ceux qui s’imaginaient
pouvoir décrire l’univers en se limitant
aux données immédiates de la perception
humaine. Mais une fois admises la nécessité
de changer de référentiel selon le point
de vue auquel se plaçait l’observateur et
celle d’admettre l’existence d’espaces-temps
courbes au lieu d’être newtoniens, la conviction
de pouvoir décrire objectivement la réalité
en soi n’était pas remise en cause. Après
tout, on avait bien admis quelques siècles auparavant
que nous vivions sur une sphère et non sur un plan.
Aujourd’hui, comme nous l’avons rappelé
dans la premier article de ce dossier, les inventions
les plus bizarres de l’imagination des cosmologistes
théoriciens, si elles surprennent et parfois choquent
le public, ne remettent pas en cause sa conviction que
la réalité est sans doute telle que les
modèles cosmologistes récents la dépeignent
(même s'ils ne sont pas compatibles entre eux, ainsi
l’énergie noire n’est pas compatible
avec le principe entropique qui implique une dissymétrie
entre le début, un point zéro, et pas de
fin). On admet certes que les théories n’ont
pas encore été vérifiées par
des expériences concluantes et qu’elles sont
encore floues et contradictoires
1), mais il ne viendrait à l’esprit de
personne se prétendant fidèle à l’esprit
de la découverte scientifique de vouloir en revenir
à l’espace-temps newtonien et moins encore
à celui de Copernic. Beaucoup croient si profondément
au réalisme des modèles cosmologistes qu'ils
ne peuvent pas s'empêcher d’éprouver
un sentiment de dépression en lisant les scénarios
relatifs à la mort annoncé de notre univers,
fut-elle infiniment lointaine, qui entraînera celle
de toute formes de vie et de pensée. Il est vrai
que d'autres, plus optimistes, s'interrogent sur la plausibilité
des hypothèses qui fondent ces prévisions.
Il les trouvent légères. Le réel,
pensent-ils doit être différent.
L’invention
de la mécanique quantique quelques années
après le premier choc apporté par la relativité
d’Einstein a provoqué dans l’opinion
un choc beaucoup plus grand. Les physiciens de l’Ecole
de Copenhague, repris par de nombreux philosophes, écrivains
et journalistes, ont expliqué qu’il n’était
plus possible à la science de décrire avec
précision le réel en soi, tout au moins
au niveau microscopique. Les atomes, les particules qui
les composent, les photons porteurs de l’énergie
lumineuse, tous ces objets jusqu’alors présentés
dans les manuels de physique comme de petits objets matériels
identifiables objectivement, cessaient de l’être.
On a dit d’abord qu’il s’agissait à
la fois d’ondes et de particules. Aujourd’hui,
on refuse même l’emploi de ces termes qui
sont trop précis. Les physiciens quantiques ne
veulent plus parler de ce qu’il y a ou de ce qu’il
n’y a pas derrière les seules choses dont
ils sont certains, c’est-à-dire les observations
auxquelles ils procèdent grâce à leurs
instruments. En rejoignant certaines intuitions populaires
anciennes, on a pu dire qu’il n’existait pas
de réel ailleurs que dans la conscience des observateurs.
Il
se trouve cependant, dans la pratique, que la révolution
épistémologique induite par la physique
quantique et progressivement étendue à l’ensemble
des découvertes scientifiques n’a pas eu
sur le réalisme philosophique fondamental qui caractérise
les humains des conséquences aussi catastrophiques
que l’on aurait pu le croire. Autrement dit, chacun
d’entre nous continue à penser qu’il
existe un réel objectif et que la science permettra
progressivement de le décrire de plus en plus exactement.
Cela tient notamment au fait que le monde quantique, aussi
bizarre qu’il soit selon les physiciens, ne se manifeste
à nous que par des phénomènes objectifs.
Ce qui nous intéresse en effet n’est pas
n’est pas la localisation exacte de telle particule
isolée ou la nature précise de cette particule.
C’est la façon dont elle se matérialise
dans notre monde, soit dans le cadre de millions de ses
semblables descriptibles avec certitude de façon
statistique (par exemple dans un microscope à effet
tunnel), soit lorsqu’elle est piégée
à l’état isolé dans un appareil
qui l’oblige au moment qui nous intéresse
à perdre sa superposition d’état et
à se manifester par un signal audible dans un instrument.
Sans rien pouvoir ou vouloir dire de précis sur
les profondeurs du monde quantique, les physiciens ont
multiplié les observations et les appareils permettant
d’utiliser à l’échelle macroscopique
les « mystères » dudit monde quantique.
Il existe bien des barrières successives à
la connaissance de la nature profonde de l’univers,
mais ne pas pouvoir les franchir a cessé de nous
inquiéter car on se dit que cela ne servirait pas
à grand-chose. La science macroscopique, dès
lors qu’elle a su asservir au moins localement et
momentanément les entités quantiques, peut
continuer à progresser.
Mais
voici qu’apparaît le paradigme de l’émergence.
Certes, il était connu depuis longtemps et n’avait
pas beaucoup inquiété les scientifiques.
Nul n’ignore qu’il n’est pas possible
d’inférer les propriétés d’un
ensemble à partir des seuls composants de cet ensemble.
Ce n’est pas en analysant une fourmi individuelle
que l’on comprendra les lois de la fourmilière,
et moins encore en analysant les atomes constituant cette
fourmi. C’est d’ailleurs pour la même
raison que nous ne nous inquiétons pas de la position
et de la vitesse de chacun des atomes constituant notre
fourmi, puisque seul leur regroupement en molécules
et cellules constituées de milliards d’atomes
nous intéresse. Ce qui nous intéresse est
la possibilité d’étudier les propriétés
de l’objet collectif émergent, afin d’en
tirer un parti de connaissance scientifique. Dans le cas
de la fourmilière ou mieux encore de la ruche,
ce qui intéresse l’entomologiste est le comportement
global du nid.
Identifier
l’émergence
On
voit cependant qu’une première difficulté
apparaît, qui consiste à identifier les objets
émergents afin de ne pas les confondre avec des
objets susceptibles d’être analysés
à partir de la connaissance de leurs composants.
Si je suis en présence d’une machine relativement
simple, comme l’est un moteur automobile, je pourrai
analyser ses pannes en testant le fonctionnement de ses
diverses parties. Si je me trouve confronté à
un système complexe, comme un réseau de
télécommunication dense, je serai obligé
d’admettre que certaines pannes pourraient être
émergentes. Je ne pourrai pas les détecter
et moins encore les réparer en intervenant sur
les nœuds ou les terminaux pris un par un. Je devrai
me résoudre à une approche interactionniste
ou même systémique, de type probabiliste.
Il
n’est pas évident de se rendre compte de
la complexité des objets et phénomènes
du monde, entraînant la nécessité
de définir des modes d’analyse et d’intervention
spécifiques à la totalité et ne se
limitant pas à agir sur telles ou telles de ses
parties. On pourrait affirmer que le progrès contemporain
des sciences repose actuellement pour l’essentiel
sur cet exercice. Il oblige à sortir des approches
compartimentées pour établir des synthèses.
Mais jusqu’aller dans la définition des limites
d’un phénomène ou d’un organisme
complexe réputé émergent ? On voit
la difficulté quand il s’agit par exemple
de thérapeutique. Faut-il identifier puis traiter
les pathologies au plan local ou à celui de l’organisme
entier ? Faut-il aller plus loin et réintroduire
l’organisme dans son environnement écologique
ou sociologique ? 2)
Vu
l’importance que représente pour l’innovation
scientifique l’identification de l’émergence,
on aurait pu penser que le phénomène aurait
fait depuis longtemps l’objet d’études
méthodologiques sur le thème : « Apprenons
à ne pas confondre le Tout avec ses Parties »
ou, inversement, « Apprenons à identifier
un Tout possible derrière les Parties qui se manifestent
à nous ». Mais rien n’a apparemment
été fait de façon systématique
dans cette direction. Robert Laughlin lui-même,
qui se positionne comme le héraut de l’émergence
en physique, ne nous dit rien de précis à
cet égard, sauf peut-être à affirmer
que tout est finalement émergent, y compris les
constantes fondamentales de la physique que l’on
avait tendance à prendre pour les briques élémentaires
de l’univers global. Mais s’il s’agit
d’une position philosophique intéressante
au plan de la réflexion sur l’origine et
le devenir de notre univers, sur laquelle d’ailleurs
nous allons revenir, il ne s’agit pas d’une
recette pratique permettant de déceler l’émergence
afin de la traiter comme telle.
Pour
préciser les choses, faudra-t-il traiter l’émergence
comme un mécanisme général intervenant
dans l’importe quel domaine de la connaissance scientifique
? Ou bien sera-t-il nécessaire de distinguer selon
les domaines, l’émergence en biologie ne
se définissant pas de la même façon
que l’émergence en physique ou en sciences
humaines ? A priori, nous serons tentés pour ce
qui nous concerne d’essayer d’analyser l’émergence
comme un phénomène global du monde profond,
et non pas comme quelque chose à décliner
de façon différente selon les domaines.
Ceci n’empêchera pas cependant d’étudier
ensuite la façon dont elle se manifeste au cas
par cas, afin notamment de faire des comparaisons. Ainsi
l’émergence du comportement en essaim ou
celle du langage ne se produira pas exactement de la même
façon dans les espèces vivantes ou dans
les modèles informatiques, automates cellulaires
ou robots, censés la reproduire.
Mais
si détecter l’émergence est considérée
comme un élément essentiel à la création
scientifique, on pourrait dire qu'elle ne se produit que
dans l’esprit de l’observateur. Dans le monde
réel, tout est lié depuis les origines.
Le propre de la découverte scientifique humaine
consistera à élargir les modèles
du monde qu’il se donne par la pratique expérimentale
précédemment décrite. Le scientifique
établit des lois et, subitement, il découvre
en continuant à expérimenter que ces lois
ne sont plus pertinentes et qu’il faut en proposer
d’autres. Alors il parlera d’émergence.
Pour identifier les « faits » expérimentaux
susceptibles de remettre en cause des lois établies,
il faut beaucoup de clairvoyance, de courage et une certaine
dose d’inadaptation à l’establishment
scientifique dominant. Robert Laughlin a développé
ces points dans son livre, s’estimant sans doute
lui-même un de ces scientifiques capables en gardant
les yeux grands ouverts de découvrir de l’émergent
là où ses collègues ne voient que
du banal. On s’étonne alors qu’il n’ait
pas développé un thème devenu aujourd’hui
dominant en matière d’incitation à
la créativité scientifique, celui de la
sérendipité. On verra, en relisant les articles
que nous avons publié sur ce sujet, que tout ou
presque de ce qui a été dit sur la sérendipité
pourrait s’appliquer à la détection
de l’émergence, en faisant appel à
l’abduction plutôt qu’à la déduction
3). Mais malheureusement, on constate
que la sérendipité ne s’enseigne pas.
Sa méthodologie reste à faire. On peut seulement
réfléchir sur les nombreux exemples de découvertes
pouvant lui être attribuées, et s’efforcer
d’en tirer profit dans sa vie quotidienne.
Une
incertitude fondamentale
La
constatation troublante faite par Robert Laughlin, relative
à la très grande généralité
du phénomène de l’émergence,
oblige à se poser la question du réalisme,
évoquée au début de cet article.
L’émergence est-il un phénomène
appartenant au monde des « réalités
» du monde macroscopique dans lequel nous nous mouvons,
comme l’est par exemple la reproduction sexuée
chez les êtres vivants ? Est-elle seulement une
construction de notre esprit au prise avec cette réalité
macroscopique, comme le sont sans doute les mathématiques
? Ou bien n’est-elle pas le signal de quelque chose
de plus profond, mettant notre monde macroscopique au
contact du monde quantique ?
Le
lecteur de Robert Laughlin constatera, comme nous l’avons
signalé, qu’il évoque en permanence
des barrières de pertinence ou frontières
plus ou moins absolues à la connaissance empêchant
de comprendre ce qui se passe au cœur des systèmes
émergents. Peu de scientifiques ont le courage
de reconnaître que certains phénomènes
seront à jamais inconnaissables. Pour lui, il ne
s’agit pas de phénomènes intéressant
le monde des entités quantiques, comme l’impossibilité
de mesurer à la fois la position et la vitesse
d’une particule (principe d’incertitude de
Heisenberg). Il ne s’agit pas non plus de phénomènes
intéressant seulement la physique des hautes énergies,
comme ce qui peut se passer au coeur d’un trou noir
(ou de l’entité qualifiée de telle).
Il s’agit de phénomènes de la physique
macroscopique, comme la « brisure de symétrie
» permettant à un corps de passer d’une
phase à une autre. Il s’agit aussi de toute
une série de phénomènes concernant
la physiologie des êtres vivants, à commencer
par l’origine de la vie elle-même. Mais Robert
Laughlin n’exclue pas, comme nous allons le voir,
que cette inconnaissabilité soit révélatrice
de l’interaction qui continue à s’exercer
entre notre monde macroscopique et le monde quantique.
Faut-il
cependant parler d’une inconnaissabilité
absolue? On peut admettre que les origines de notre univers
nous restent à jamais inconnues, compte tenu des
limites de notre cerveau. Mais peut-on en dire autant
de celle de la vie ? Si on estime que la vie a émergé
au sein du monde physique, faut-il considérer qu’il
s’est agi d’un évènement global
inanalysable de façon déterministe à
partir de ce que l’on sait des constituants de la
matière vivante ? Faut-il renoncer à trouver
des relations entre atomes et molécules permettant
aujourd’hui de recréer de la vie biologique
en laboratoire ? Sur un plan plus modeste, ne pourra-t-on
jamais élucider en détail, afin de la reproduire
artificiellement à partir du comportement des molécules
individuelles, la façon dont un liquide comme l’eau
passe de l’état liquide à l’état
solide ? Robert Laughlin n’est pas très explicite
sur ces sujets, mais on peut penser, à la lecture
de son livre, qu’il répondrait par la négative.
Une
des raisons susceptibles de justifier cette inconnaissabilité
ou intractabilité de principe consiste à
dire qu’aux phases critiques, la matière
macroscopique est soumise à l’action de particules
quantiques (éventuellement intriquées avec
elle), qui relèvent elles du principe d’incertitude
de Heisenberg et des autres propriétés du
monde quantique le rendant inconnaissable. Rien n’interdit
de penser, même si cela n’a pu encore être
prouvé, que l’action d’une seule particule
quantique abandonnant son état de superposition
au bon moment (décohérence) puisse décider
du sort d’un échange chimique au sein d’un
neurone ou à l’occasion de la synthèse
d’une protéine par l’intermédiaire
de l’ARN messager. Robert Laughlin évoque
fréquemment en de telles circonstances un principe
fondamental de l’émergence qu’il appelle
l’instabilité collective, indispensable selon
lui au contrôle des systèmes complexes tels
que la cellule. Cette instabilité pourrait être
sensible à des effets quantiques, comme le sont
dans d’autres domaines de nombreux instruments physiques
perturbés par eux.
Mais
alors, nous devons nous poser la question des rapports
qu’il peut y avoir entre l’émergence,
telle que définie par Robert Laughlin, et un processus
tout aussi fondamental, celui de l’apparition du
monde macroscopique à partir du monde quantique.
Nous avons évoqué dans le premier article
de cette série les travaux de Mme Mugur-Schächter
qui montrent comment l’observateur-acteur qualifiant
une entité microscopique jusque là indéterminée
la crée véritablement et l’insère
dans le monde macroscopique. Nous avions nous-même
proposé l’idée que ce processus n’était
sans doute pas réservé à l’observateur
humain doté d’un équipement scientifique
et d’une aptitude au langage auto-réferrant
(conscience) lui ayant permis de construire les bases
symboliques de connaissances caractérisant l’humanité.
On pourrait admettre que tout organisme vivant entrant
en relation avec des entités quantiques les «
observe » par son action et se les incorpore. En
employant le vocabulaire de la décohérence,
on dira qu’étant constitué de milliards
d’atomes du monde macroscopique, il provoque la
décohérence des particules quantiques avec
lesquelles il entre en contact (en réduisant de
ce fait leur fonction d’onde). Ainsi se serait construit
depuis ses origines et continuerait à se construire
notre univers matériel. Mais les organismes vivants
non dotés des instruments de physique propres à
l’humanité ont-ils l’occasion d’interférer
avec le monde quantique? Sans doute, puisqu’ils
sont constitués d’atomes qui, dans certaines
conditions, peuvent entrer en contact avec des particules
quantiques ou se comporter de façon corrélée
typique des comportements quantiques. Il en est de même
des matériaux. 4)
Si
nous avons bien compris Robert Laughlin, il ne semble
pas qu’il serait en désaccord avec cette
hypothèse. Pour lui, les phénomènes
d’émergence aboutissant à l’apparition
des objets et propriétés du monde macroscopique
se sont produits dès les origines de celui-ci,
à partir d’un monde quantique sous-jacent
dont on ne pourra jamais rien dire. De plus et surtout,
les processus précis de ces phénomènes
d’émergence nous demeurent mystérieux.
Mais ils ont entraîné des choix, par rupture
de symétrie, dont nous pouvons prendre conscience
puisqu’ils constituent le tissu même de notre
univers matériel – univers matériel
dont nous sommes, comme toutes les autres créatures,
des parties prenantes. Ces choix paraissent irréversibles,
en ce sens que l'émergence ne nous semble pas pouvoir
se produire à l'envers de l'histoire qui s'est
spontanément construite. Mais est-ce exact? L’émergence
étant un mécanisme omniprésent, les
mêmes limites à la compréhension qui
nous empêchent de comprendre ses origines nous empêchent
de comprendre les raisons par lesquelles elle continue
à se manifester et les directions qu'elle pourra
prendre, y compris en fonctionnant le cas échéant
"à l'envers". Nous ne pouvons que la
constater, une fois qu’elle s’est produite.
Nous ne pouvons pas en agissant sur les parties de l’ensemble
ayant émergé (à supposer d’avoir
pu les identifier), être certain d’obtenir
tel résultat plutôt que tel autre. Il faut
vivre avec l’incertitude, vivre avec l’indétermination.
Robert
Laughlin ne le dit pas expressément, nous semble-t-il,
mais comme nous l’avons suggéré plus
haut, on pourrait fortement suspecter que cette indétermination
reflète l’indétermination fondamentale
du monde quantique avec lequel notre monde demeurerait
fortement intriqué. Autrement dit, notre monde
macroscopique serait une ile de complexité flottant
à la surface d'un océan quantique primordial,
avec lequel elle interagirait en permanence par l'intermédiaire
de particules intriquées, selon des conditions
probablement à jamais susceptibles d'être
explicitées dans le détail.
Ajoutons
cependant que le fait de constater une émergence,
à l’aide de nos sens et de nos instruments,
ressemble beaucoup à la procédure d’observation/qualification
propre au physicien quantique et plus généralement
à tout observateur/acteur, dont Mme Mugur-Schächter
nous propose d’établir une méthodologie.
Nous qualifions par notre observation un élément
jusque là indéterminé et nous le
faisons entrer dans le réel humanisé, celui
de l’univers macroscopique qui est le nôtre.
Nous lui donnons alors un sens irrévocable. Nous
pouvons notamment le transformer par nos technologies,
comme nous le faisons de tous les objets matériels
et biologiques qui nous entourent.
Ceci
cependant ne nous met pas à l’abri des effets
de toutes les émergences qui peuvent à tout
moment et de façon imprévisible nous affecter,
les unes pour nous émerveiller et les autres, peut-être,
pour nous détruire.
Notes
1)
On lira à ce sujet un article du NewScientist,
daté du 30 avril 2005 p. 30, qui recense les difficultés
et sans doute même les erreurs méthodologiques
de la Theory of everything (http://www.newscientist.com/channel/fundamentals/mg18624971.500).
Pour le moment la théorie des cordes et sa concurrente,
celle de la gravitation quantique en lacet, sont en panne.
L’auteur de l’article espère que les
futurs instruments de la décade (LHC du CERN, Télescope
Pierre Auger destinés à observer les rayons
cosmiques et satellite GLAST d’observation des rayons
Gamma), donneront des indices permettant de départager
les hypothèses, mais rien n’est certain.
On serait tenté de conclure en attendant comme
le fait Lee Smolin cité dans l’article :
« Je soupçonne que nous ne nous sommes pas
encore posés la vraiment bonne question ».
2) Alain Cardon a fait de ses questions
méthodologiques l’objet de son dernier ouvrage,
La complexité organisée (voir http://www.admiroutes.asso.fr/larevue/2005/62/cardon.htm)
3) Sur la sérendipité,
consulter Jean-Louis Swiners http://www.admiroutes.asso.fr/larevue/2005/63/serendipite.htm.
Notons que, sans parler de sérendipité,
le CNRS avait abordé le sujet: «
S’attacher à la complexité, c’est
introduire une certaine manière de traiter le réel
et définir un rapport particulier à l’objet,
rapport qui vaut dans chaque domaine de la science, de
la cosmologie à la biologie des molécules,
de l’informatique à la sociologie. …C’est
reconnaître que la modélisation se construit
comme un point de vue pris sur le réel, à
partir duquel un travail de mise en ordre, partiel et
continuellement remaniable, peut être mis en œuvre.
…
Dans cette perspective, l'exploration de la complexité
se présente comme le projet de maintenir ouverte
en permanence, dans le travail d’explication scientifique
lui-même,
la reconnaissance de la dimension de l’imprédictibilité.
» Projet d’établissement 2002 du CNRS.
4) Sur l’intrication, voir notre
article et ses références http://www.automatesintelligents.com/echanges/2004/avr/intrication.html
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sous licence "Creative Commons" . Paternité,
pas d'usage commercial, pas de modification
http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.0/fr/
Robert
Laughlin est professeur de physique théorique
à l'Université de Stanford, où
il a enseigné depuis 1985. En 1998, il a partagé
le Prix Nobel de physique avec Dan Tsui et Horst Störmer
pour ses travaux sur l'effet Hall quantique fractionnaire.