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| Article
Robert Laughlin. Nouvelles réflexions
sur l'émergence
par
Jean-Paul Baquiast
09/02/07
|
Le jardin de Monet. Les iris. Musée d'Orsay
Dans
son numéro 405 du mois de janvier 2007,
la revue La Recherche présente un dossier
intitulé "Emergence, la théorie qui
bouscule la physique". Celui-ci comporte, entre
autres, un article de Michel Bitbol et une interview de
Robert Laughlin. Rappelons que notre Revue avait consacré
dès
avril 2005 un
long article de présentation au livre fondateur de
ce dernier, A Different Universe (Basic books, 2005)
http://www.automatesintelligents.com/biblionet/2005/juin/laughlin.html
(1).
L'article de Michel Bitbol présente un bon résumé
de la problématique de l'émergence, considérée
comme une alternative au réductionnisme. L'auteur
s'y rallie sans ambiguïté à la thèse
de Laughlin. Il nous semble cependant qu'il ne fait pas
assez le lien avec la question du constructivisme telle
qu'elle est abordée dans l'œuvre de Mioara Mugur-Schächter,
souvent citée dans cette revue. Autrement dit, Michel
Bitbol, qui pourtant connaît bien cette dernière,
ne semble pas faire le rapprochement entre la façon
dont un observateur « macroscopique » qualifie
d'émergent un phénomène dont il ne
connaît pas les hypothétiques lois profondes,
(par exemple la superfluidité ou plus simplement
la transformation de l'eau en glace) et celle dont un observateur
du monde quantique qualifie les micro-états quantiques
sur lesquels il a décidé d'expérimenter.
Reprenons rapidement cette question, que nous avions abordée
en détail dans notre article précité
d'avril 2005.
Résumé
de la présentation de Michel Bitbol
Michel Bitbol rappelle d'abord la thèse de
Laughlin selon laquelle toutes les « lois de la nature
» sont « émergentes ». A tous les
niveaux d'observation que ce soit, physique, biologie,
sociologie, etc. ces lois résultent d'un comportement
d'ensemble des parties ou entités observées
(atomes, cellules vivantes, individus et groupes sociaux…)
et sont indépendantes des lois qui régissent
les comportements de ces parties ou entités prises
unes à unes. Ceci, encore une fois, à tous
les niveaux d'observation que ce soit, y compris aux
niveaux que nous estimons être les plus élémentaires.
Il est donc vain de faire appel au réductionnisme
pour expliquer les lois de la nature. Le réductionnisme
en l'espèce consisterait, loi par loi, à
rechercher celle qui régirait les entités
hiérarchiquement inférieures afin de s'en
servir pour trouver la loi régissant le fonctionnement
des entités supérieures. Ainsi, pour le réductionnisme,
le comportement des cellules pourrait être expliqué
par celui des atomes dont elles sont faites, de même
que celui des atomes pourrait l'être par celui
des particules élémentaires qui les composent.
Depuis
longtemps, les scientifiques avaient constaté qu'ils
ne pouvaient pas utiliser l'approche réductionniste
pour expliquer et prédire, mais ils avaient longtemps
attribué cela à l'insuffisance de leurs
instruments ou de leurs outils mathématiques, ceux-ci
ne leur permettant pas de décrire, autrement que
de façon probabiliste, le comportement des parties
constituant un tout. Si bien que beaucoup d'entre
eux ont mis leurs espoirs dans la physique des hautes énergies
pour faire apparaître une loi ultime. Mais cette recherche
de plus en plus coûteuse n'a pas abouti à
ce jour. D'où le succès des premières
théories émergentistes, dont Michel Bitbol
présente l'historique dans la première
moitié de son article. Il montre que, dans tous les
domaines, l'hypothèse pourtant théoriquement
irréfutable selon laquelle les phénomènes
complexes résultent nécessairement de l'interaction
entre les parties s'est révélée
n'avoir qu'une portée philosophique puisqu'il
n'était pas possible d'en tirer des conclusions
utilisables en ce qui concernait la formulation de prédictions
conformes aux observations.
Ainsi
les phénomènes « complexes » caractérisant
le comportement d'un Tout, par exemple celui d'une
cellule vivante, ne peuvent pas être déduit
de ce que l'on sait des comportements des atomes constituant
cette cellule, à moins de les agréger en grandes
quantités. Le biologiste est donc obligé de
considérer que des lois nouvelles, que l'on
dira émergentes, sont à l'œuvre
dans la détermination des comportements complexes
de la cellule. Toute sa science consistera à déterminer
ces lois, le plus précisément possible, en
fonction des instruments d'observation et des outils
mathématiques dont il dispose. Les lois ne seront
évidemment validées que si elles permettent
de prédire des évènements vérifiables
par l'expérience.
L'avènement
de la mécanique quantique avait fait supposer que
les diverses lois identifiées dans les différentes
sciences s'intéressant aux niveaux supérieurs
d'organisation de la matière, thermodynamique,
mécanique classique, biologie, etc., dérivaient
des lois quantiques. Mais celles-ci sont caractérisées
par l'indéterminisme. On ne peut évaluer
que les probabilités des valeurs des observables.
On en a donc conclu qu'il n'était pas
possible, jusqu'à ce jour, d'identifier
une loi élémentaire permettant d'expliquer
les lois émergentes. Cet indéterminisme, qui
n'est pas remis en cause aujourd'hui, se répercute
tout au long de l'échelle des complexités.
Une loi émergente de niveau supérieure, celle
concernant la vie, par exemple, ne peut être expliquée
par les lois émergentes de niveau inférieur,
celles concernant l'agencement des atomes et molécules
par exemple, puisque celles-ci à leur tour ne sont
pas des entités déterministes. On ne peut
que constater l'existence des lois émergentes
de tous niveaux. Selon le terme de Michel Bitbol, celles-ci
sont « multiréalisables » ou «
survenantes ».
Cette
conviction était apparue, puis s‘était
largement répandue, bien avant Laughlin. Quel est
donc l'apport de ce dernier en matière d'émergence
? D'abord, pour lui, il s'agit d'une hypothèse
qu'il convient de généraliser sans exceptions.
Mais il a fait davantage. Il a montré, en créant
le concept de « protection », que les lois émergentes
restent stables même si leurs bases varient, c'est-à-dire
qu'elles sont indépendantes non de ce qui se
passe au niveau sous-jacent, mais du détail de ce
qui s'y passe. Cela n'a rien de surprenant si
l'on admet qu'elles résultent d'une
moyenne de processus désordonnés dans une
certaine catégorie d'objets matériels.
Mais elles prennent aussi des formes semblables, analogues,
quels que soient les substrats, matière macroscopique,
matière condensée ou « matière
fondamentale ». Ceci prouve le caractère universel
de l'émergence. Dans son article, Michel Bitbol
justifie le point de vue de Laughlin par des considérations
qui éloigneront sans doute le lecteur non averti,
concernant la théorie des champs et la renormalisation.
Nous préférons, même s'il n'est
pas très correct de se citer soi-même, reprendre
ici ce que nous en disions dans l'article que nous
avons consacré au livre de Robert Laughlin :
"
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 pertinent (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. » .
Finalement, quelles conclusions Michel Bitbol nous incite-t-il
à retenir de l'exposé qu'il fait de l'opposition
entre réductionnisme et émergence ? Elles sont
claires. Ou bien l'on continue à espérer que
l'on pourra un jour édifier une théorie unifiée
fondamentale exprimant les lois ultimes de la nature, aujourd'hui
théorie des cordes ou des supercordes, à la
poursuite de laquelle on engloutira beaucoup d'argent sans
guère progresser(2). Ou
bien l'on admet qu'il n'existe pas de niveau fondamental à
atteindre, ni de lois ultimes à formuler, ni même
d'éléments au sens strict. C'est dans ce deuxième
camp qu'il se range explicitement. Mais il précise
que cette position n'a pas pour effet d'annuler l'intérêt
des approches réductionnistes. Il est toujours possible
d'unifier un certain nombre de lois en les considérant
comme portées par une même base. Mais il ne faut
plus se préoccuper alors du caractère ultime
ou non de cette base (en se posant la question de son «
existence »). Seule se pose une question de méthode
: quelle base intermédiaire remplit le mieux sa fonction
unificatrice ? Ainsi la théorie de l'émergence
présente l'intérêt philosophique de transformer
les questions ontologiques, relatives à l'existence
ou non de lois fondamentales, en questions méthodologiques.
On renonce à savoir ce qu'est la nature dans l'absolu.
On s'intéresse seulement à ce qu'elle apparaît
être ici et maintenant en fonction des recherches que
l'on mène. Dans ce cas, ces recherches peuvent et doivent
être poursuivies, à quelque niveau de complexité
que l'on se place, aussi longtemps qu'il est possible de le
faire car elles feront toujours apparaître du nouveau.
L'interview de Robert Laughlin, qui fait suite à
l'article de Michel Bitbol, reprend les mêmes
idées. Il rappelle que dans toutes les sciences,
l'approche est « phénoménologique
». Ce qui est observé expérimentalement
est utilisé pour reconstituer des lois physiques
dites fondamentales, résultant davantage d'un
travail d'observation et d'analyse que de prédiction.
Ainsi l'univers ne serait que le produit d'évènements
contingents liés à des modes d'auto-organisation
de la matière. Pour Laughlin, il est tout autant
impossible d'écrire les équations qui
prédiraient la structure d'un grain de pop
corn afin de simuler et prédire son explosion que
celles intéressant un phénomène tel
que le Big Bang.
Observations
Nous n'avons évidemment rien à reprendre à
ce qui précède. Pour des commentaires plus détaillés,
nous renverrons le lecteur à notre article de 2005.
Tout au plus pourrions-nous faire ici quelques rapides observations
.
La
première concerne la possibilité de mathématiser
les lois de la nature, fussent-elles émergentes.
Il est certain que l'on ne peut mathématiser
que ce que l'on peut observer. Stephen Wolfram montre
que certains automates cellulaires peuvent évoluer
pour donner des structures prodigieusement complexes à
partir d'éléments simples sans qu'il
soit possible d'observer de règles générales
permettant de prédire cette évolution. Il
n'est donc pas question d'élaborer une
loi mathématique décrivant de tels phénomènes.
D'une façon plus générale, comme
la plupart des changements brutaux d'état,
tel la transformation de l'eau liquide en glace, se
produisent sans qu'il soit possible, en conséquence
du « mécanisme de protection », de décrire
exactement ce qui se passe, l'espoir de mathématiser
de telles transitions doit être abandonné.
Au contraire, à l'intérieur d'un
niveau donné de complexité, il devient généralement
possible d'observer des régularités
et de donner à ces observations une forme mathématique.
Les expressions mathématiques seront plus ou moins
rigoureuses selon le degré de précision avec
laquelle on peut observer les phénomènes,
cependant elles joueront dans tous les cas un rôle
utile. Si ce n'était pas le cas d'ailleurs,
les mathématiques n'auraient pas été
inventées et ne seraient jamais utilisées.
Mais la description mathématique d'un système
vivant sera nécessairement moins précise que
celle d'un système mécanique ou planétaire.
Il
résulte aussi de ce qui précède qu'aucune
loi mathématique exprimant ce que l'on appelle
des constantes fondamentales de l'univers ne pourra
résister à des expériences la mettant
en défaut. C'est le cas de la vitesse de la
lumière. Robert Laughlin insiste sur le fait que
cette vitesse, aussi fondamentale puisse-t-elle sembler
aujourd'hui, est une émergence. S'il
apparaît des endroits de l'univers où
l'observation ne vérifiait pas la loi, il faudrait
réviser la loi. Une autre représentation de
la vitesse de la lumière émergerait. Encore
faudrait-il que les expérimentateurs aient l'idée
de mettre en défaut la loi et d'observer «
les yeux ouverts » des phénomènes susceptibles
de le faire. D'où l'insistance que met
Laughlin à demander aux scientifiques de ne pas se
laisser enfermer dans les lois admises à leur époque,
comme s'il s'agissait de lois décrivant
un prétendu univers fondamental. Il n'y a pas
pour lui d'univers fondamental, il n'y a que
des émergences, l'une pouvant chasser l'autre.
Une
deuxième observation concerne plus généralement
le statut des lois scientifiques, qu'elles prennent une forme
mathématique ou non. Pour Robert Laughlin, toutes les
lois sont émergentes, y compris celles décrivant
ce que l'on appelle les constantes fondamentales de l'univers.
Soit, mais qu'est-ce à dire ? Qu'est-ce qui émerge,
la loi ou le phénomène qu'elle est censée
décrire. Pour les émergentistes, ce n'est pas
le phénomène qui émerge, le phénomène
a toujours été là. L'émergence
se produit au niveau de l'observateur, qui prend conscience
de quelque chose qui n'était pas jusqu'alors entré
dans ses représentations. Mais cette prise de conscience
par l'observateur ne correspond pas à une véritable
observation, laquelle supposerait qu'un phénomène
nouveau, observable et effectivement observé, soit
apparu dans la nature. Elle correspond à un changement
brutal dans la construction symbolique du monde que l'observateur
avait généré en interagissant avec ce
même monde. L'observateur, qu'il vaudrait mieux désigner
par le terme d'observateur/acteur, comme le fait Mioara Mugur-Schächter,
se trouve modifié en permanence par le fait qu'il interagit
avec un milieu dont il est d'ailleurs partie. Ces modifications
le conduisent à se représenter le monde autrement
et ces nouvelles représentations prennent pour lui
l'aspect d'émergences. A la question donc de savoir
qui émerge quand on parle d'émergence, nous
pourrions répondre selon cette façon de voir
que c'est un nouvel état de l'observateur/acteur. Autrement
dit, cet observateur/acteur se construit en permanence, d'une
façon qu'il est obligé de constater sans pouvoir
la prévoir et qui le surprend toujours car il ne peut
pas observer de l'extérieur son processus d'auto-construction.
Nous
terminerons par une troisième observation concernant
la question des processus à l'œuvre dans
les mécanismes d'émergence. On admet
qu'ils sont identiques ou très voisins, quels
que soient les domaines d'émergence. On les
associe généralement aux mécanismes
d'auto-complexification. Mais ce mot ne veut pas dire
grand-chose. Pour les théoriciens de la théorie
constructale, ces lois relèvent, en gros, de la thermo-dynamique
c'est-à-dire de l'exploitation aussi
économique que possible de l'énergie.
Peut-être. Mais là encore, commencer à
raisonner de cette façon conduit à supposer
qu'il existe des lois en soi, relevant de la thermodynamique,
lesquelles agissent indépendamment de l'observateur
et que celui-ci est obligé de décrypter puis
d'appliquer pour comprendre le monde. Si nous estimons au
contraire que l'émergence résulte de
l'interaction d'un observateur/acteur avec un
monde non défini a priori, le processus d'émergence
à étudier concernera la façon dont
l'observateur/acteur intégrera de nouvelles
constructions, résultant de son interaction avec
le milieu, dans l'ensemble de celles résultant
de ses activités antérieures.
Comme
il n'est pas envisageable que n'importe quelle « observation
» puisse être validée et incluse dans le
corpus des constructions antérieures, il faut élucider
les processus par lesquelles de nouvelles constructions seront
effectivement validées et d'autres rejetées.
On peut admettre que ces processus seront identiques ou voisins,
à l'intérieur de grandes catégories d'observateurs/acteurs,
humains, animaux ou végétaux en ce qui concerne
les êtres vivants. Comme nous l'indiquions, il nous
semble que le travail fondamental de Mioara Mugur-Schächter(3)
donne des pistes très importantes pour expliciter ces
processus, qui relèvent du constructivisme. Mais beaucoup
de points nécessiteraient encore d'être explicités.
Ceci admis, il n'y a pas de raison de penser que l'univers
en soi imposera des limites absolues à la démarche
constructiviste. Tout laisse penser au contraire que l'univers
en soi s'il existe, sera très tolérant. Il n'imposera
pas des constantes fondamentales ou autres frontières
indépassables. Les entités auto-complexificatrices
ou auto-constructives auront toute liberté, en fonction
des acquis de leurs auto-constructions précédentes,
individuelles ou collectives, pour approfondir sans cesse
ce qu'elles appelleront leurs connaissances, c'est-à-dire
leur nature même. Autrement dit, de nouvelles lois émergentes
pourront sans cesse être mises en évidence. Mais
ce ne seront pas des lois décrivant l'univers. Elles
décriront l'état d'avancement de l'auto-construction
définissant l'observateur/acteur, domaine par domaine.
Dans cette optique, la nature, qu'elle soit représentée
ou non par le monde quantique, se comportera effectivement
comme un puits sans fond.
Faut-il
alors continuer à engloutir des milliards dans des
accélérateurs de particules géants,
à la recherche d'une loi fondamentale qui marquerait
l'existence d'un fond au-dessous duquel il ne
sera plus possible de descendre, et dont l'on pourrait
remonter triomphalement, comme l'imaginent les réductionnistes,
pour comprendre les étages supérieurs, plutôt
qu'étudier à moindres frais des phénomènes
plus banaux tels que la superfluidité ? Disons dans
l'optique de l'émergence, que de tels
accélérateurs pourront provoquer des phénomènes
inattendus et actuellement imprévisibles. Ceux-ci,
à condition que l'on sache les voir, pourront
faire apparaître de nouvelles lois émergentes
et suggérer de nouvelles hypothèses. Mais
en aucun cas, ils ne révèleront le fond. C'est
bien ce qu'avait compris les physiciens des particules
il y a trente ans quand ils parlaient d'un phénomène
de boot-trap ou tire-bottes. Les expériences
sur les particules de haute énergie en faisaient
apparaître toujours de nouvelles, au désespoir
des théoriciens. Rien n'a changé depuis
semble-t-il.
Robert
Laughlin utilise dans son interview l'oeuvre «Le Jardin
de Monet, les Iris» comme l'illustration d'un phénomène
complexe émergeant à partir d'objets élémentaires
auxquels il n'est pas réductible. Ce tableau n'exprime
pas l'émergence d'un jardin ni même d'une représentation
de jardin. Il exprime l'émergence du Monet tel qu'il
était au moment où il l'a peint, c'est- à--dire
au stade qu'il avait atteint à ce moment précis
de son processus d'auto-construction. Bien plus, il exprime
aussi l'émergence de l'état qui est le nôtre
quand nous percevons ce tableau. On pourrait imaginer que
d'innombrables autres Monet auraient pu succéder au
premier, par émergence, construisant d'innombrables
autres tableaux, avec des millions d'amateurs d'art émergeant
à la suite de ces divers Monet, sans que jamais l'univers
« en soi », véritable puits sans fond en
l'espèce, n'impose de limites au processus d'auto-construction
pictural ainsi engagé. C'était peut-être
d'ailleurs ainsi que Monet, avec ses célèbres
suites, concevait intuitivement son art, c'est-à-dire
son rapport au monde.
Notes
(1) Cet article est dans le peloton
de tête des références de Google, au
nom de Robert Laughlin, tant pour l'édition française
que pour l'anglaise.
(2) Comme le déplore Lee Smolin
dans son dernier livre «The Trouble with Physics».
(3) Mioara Mugur-Schächter, "Sur
le tissage des connaissances" Hermès-Sciences
2006. Voir http://www.automatesintelligents.com/biblionet/2006/sep/mms.html
