Seconde
révolution quantique : Les particules et les champs
n’existent pas ! La « déchirure ontologique
» dans la matière et la revanche de Platon
Par
Bernard Dugué octobre 2013
Cet
article est repris, avec l'accord de l'auteur, que nous remercions,
de
Agoravox. Nous laissons à Bernard Dugué
la seule responsabilité de ses analyses.
Automates
Intelligent
Dans un
brillant et provocateur article du Scientific American daté
de juillet 2013, le philosophe de la physique
Meinard Kuhlmann s’interroge sur la nature profonde
du réel tel qu’il peut être déduit
des théories quantiques les plus abouties. Le fond
de ce questionnement n’est pas physique, il est ontologique
et la démarche est on ne peut plus philosophique. Car
le principe même de la philosophie est de considérer
que rien ne va de soi et qu’il faut tout examiner, surtout
quand les choses ne tombent pas sous le sens (commun). Ce
qui est le cas des théories quantiques. D’après
Kuhlmann, les physiciens pensent que le monde qu’ils
étudient (matière et cosmos) est composé
de particules et de champs. Or, cette conception n’a
rien de certain car la « réalité »
des particules et des champs n’est pas aussi claire que
cela apparaît dans les théories. Le monde pourrait
être tout aussi bien être composé d’un
spectre de propriétés (de qualités) comme
les formes ou les couleurs. Cette hypothèse va à
contresens de la conception quantique réaliste qui
accorde un statut ontologique aux particules et aux champs.
Elle est discutée dans cet article d’un accès
plutôt difficile mais moins que le travail original
dont est extrait ce texte et qui a été rédigé
par le même Kuhlmann dans la prestigieuse Encyclopédie
philosophique de Stanford (en libre accès sur Internet).
La physique
quantique se décline en deux grandes théories,
la première axée sur les particules et développée
à la fin des années 1920 avec un consensus sur
l’interprétation acquise en 1927 (congrès
Solvay). C’est cette théorie qui a popularisé
la thèse du doublet particule et onde, dont le comportement
est formalisé par la fameuse et énigmatique
équation de Schrödinger. Laquelle étendue
au contexte relativiste par Dirac a permis de faire apparaître
une solution à énergie négative qui représente
le positron, particule d’antimatière découverte
grâce aux chocs à hautes énergies produits
dans les accélérateurs. L’autre branche
canonique de la physique quantique a été développée
jusque dans les années 1970. C’est la théorie
quantique des champs, aboutissant au modèle standard
avec deux formalisations, la QED qui décrit l’interaction
électromagnétique et la QCD qui concerne l’interaction
forte avec les quarks et les gluons. Les degrés de
libertés sont infinis (comme du reste certains calculs
qu’il faut « renormaliser ») Les physiciens
imaginent alors le monde à l’image d’un jeu
de lego animé, avec des particules qui s’entrechoquent
et se déplacent en fonction des forces qu’elles
subissent tout en les générant. Au final, le
public instruit pense que le monde est fait de ces forces,
particules et champs ou du moins de quelque chose qui y ressemble.
Alors que ce n’est pas du tout certain.
Mais où
est donc le « schisme » ? Comme le fait remarquer
Kuhlmann, le problème ne tient pas à un manque
de théorisation des réalités subatomiques,
loin s’en faut. La théorie quantique des champs
(QFT) a abouti au modèle standard et peut se prévaloir
d’une efficacité inouïe pour prédire
certains résultats avec une précision qui la
place au sommet des théories scientifiques sur ce point.
Un golfeur aussi précis pourrait mettre la balle dans
un trou situé sur la planète mars. D’où
une situation assez étrange car malgré cette
théorie qui n’a fait qu’accumuler des succès
expérimentaux et qui est d’une précision
incroyable, les physiciens ne savent toujours pas quelle est
la réalité qu’elle décrit. Ils savent
l’utiliser mais sans comprendre ce qui se trame derrière,
autrement dit ce qu’elle révèle de la nature.
Cette physique triomphe en laissant derrière elle une
métaphysique très incertaine, pour ne pas dire
absente.
La QFT
repose sur les particules et les champs. Sans entrer dans
des options ontologiques radicales, les fondateurs de la théorie
quantique des champs ont quand même réfléchi
sur la question des « primautés ontologiques
». Avec une question, qu’est-ce qui est antérieur
du point de vue ontologique ou à défaut, épistémologique,
la particule ou le champ, autrement dit quelles sont les briques
basiques du monde physique ? Cette interrogation est légitime
et découle logiquement du formalisme si l’on cherche
à interroger la réalité qu’il représente
ou alors la manière dont sont construites les théories
quantiques. Cette alternative a engendré deux camps.
Dirac, Heisenberg sur le tard, Feynman et Wheeler choisissent
les particules ; Pauli, Heisenberg à ses débuts,
Tomonaga et Schwinger placent le champ en premier (N.P. Landsman,
1996, “Local quantum physics,” Studies in History
and Philosophy of Modern Physics, 27 : 511-525). Cette interrogation,
je la pose différemment, avec un élément
de compréhension supplémentaire sur l’alternative
entre les particules qui sont la source du champ ou alors
l’inverse, le champ qui est la source des particules.
Difficile de choisir. Les uns diront que toute particule engendre
un champ, électromagnétique si elle est chargée,
fort si c’est un hadron, etc. Ou alors comme on peut
le déduire de la QED que la particule constitue une
excitation du champ. Au final on se retrouve dans une situation
assez comparable à la conjecture de l’œuf
et de la poule.
Ni
particules, ni champs dans l’ontologie du monde physique
La physique
moderne a commencé à concevoir le monde comme
des objets solides en mouvement et en interaction dans un
espace-temps paramétré, le tout étant
représenté par une mécanique où
les objets massiques sont représentés par des
points matériels. Cette conception a été
balayée par la mécanique quantique. La nature
physique est alors conçue avec des particules et des
champs. La particule est ce qui a remplacé les masses
alors que le champ quantifié a supplanté l’espace-temps.
Une analyse épistémologique permettrait de saisir
le souci des physiciens préoccupés de maintenir
une représentation qui se raccorde à l’ancienne
physique et surtout, au monde dit « classique »
que nous percevons. Un examen de quelques recherches récentes
dévoile une troisième étape dans la conception
de la nature avec cette fois les particules et les champs
qui passent au travers des mailles de la spéculation
ontologique.
C’est
David Malament, philosophe de la physique, qui dans un article
paru en 1996 a rigoureusement instruit la mise en examen de
la particule en analysant de très près la théorie
quantique dans un contexte relativiste. Pour tracer une conclusion
nette. Il ne peut pas y avoir de théorie quantique
relativiste des particules localisables. Ce constat était
plus ou moins accepté par les physiciens. Il a été
formulé de manière rigoureuse par Malament,
puis prolongé par les travaux de Gerhard Hegerfeldt
et confirmé par deux philosophes de la physique dont
les investigations conduisent à penser que seule la
théorie quantique des champs explique la possibilité
de détecter des particules (H. Halvorson, R. Clifton,
Philosophy of science, 69, 128, 2002). Ces recherches sont
très spéculatives mais elles ont pour visée
de comprendre la nature. Il en découle que cette nature
ne peut pas être représenté par une théorie
quantique relativiste avec des particules localisées
alors que la relativité est essentielle à la
représentation de notre monde matériel. Si une
mécanique quantique relativiste des particules est
possible, alors les particules ne sont pas localisables. Ce
qui conduirait à une ontologie des champs, éventualité
que Halvorson refuse car elle n’a pas de fondement sérieux.
Elle est tout au plus plausible. La conclusion principale
étant que concevoir dans un contexte quantique et relativiste
d’une particule localisable est une fiction dixit les
deux auteurs de cette investigation. Ce qui n’étonne
guère car le « quantique » et le «
relativiste » semblent décrire deux univers inconciliables.
Cette
incompatibilité n’a cessé d’intriguer
les physiciens depuis 80 ans. Tout en suscitant une masse
considérable de travaux théoriques mobilisant
les mathématiques les plus ésotériques.
Un regard philosophique de la situation pourrait suggérer
que le schisme réside dans le fait que la théorie
quantique représente une réalité détachée
de son contexte et en quelque sorte, une sorte de morceau
de la matière détachée par la représentation
et l’expérience. Il en découle alors une
perte d’information. Cette conjecture est en fait celle
de la partie et du tout. Elle est la conjecture universelle
qui hante la science moderne depuis près d’un
siècle. Un point névralgique qui concerne le
réductionnisme. Et pas seulement en sciences physique
car le problème est encore plus sérieux en biologie.
Revenons
à notre propos. Partie et tout, particule et champ.
Si l’interprétation ontologique des théories
quantiques en terme de particules semble interdite, peut-on
alors placer le champ comme élément ontologique
déterminant. La réponse est négative
si l’on suit les arguments développés par
David Baker (in : British
Journal of Philosophy of Science, 60, 585-309, 2009).
Il apparaît que les deux arguments les plus puissants
utilisés contre une « ontologie des particules
» servent également à invalider une «
ontologie des champs ». Et donc, la conclusion tirée
de l’interprétation ontologique de la QFT est,
ni particules ni champs. Il y n’a pas de monde physique
qui puisse être causé par une configuration obtenue
par un ou plusieurs champs fondamentaux. Comment alors faire
avancer le questionnement ontologique en prenant comme point
de départ la QFT ? Baker suggère d’explorer
des alternatives théoriques mettant en position centrale
l’algèbre des observables. Ce qui est le cas de
l’AQFT, la théorie algébrique quantique
des champs.
Trois
choses à retenir sur l’AQFT
Particules
ou champs ? Eh bien la question n’aurait plus d’intérêt
si l’on écoute Kuhlmann pour qui actuellement,
le champ théorique est prêt pour une discussion
de fond où en fin de compte, l’alternative «
particule - champ » serait largement dépassée
au profit d’une conception ontologique inédite
découlant d’une autre alternative, cette fois
entre deux options issues du développement mathématique
de la QFT. Plus précisément, nombre de philosophes
ayant scruté la QFT refusent à la fois une ontologie
des particules et une ontologie du champ. En plus, la QFT
existe dans une version axiomatisée considérée
comme alternative. Cette affaire est extrêmement compliquée
si l’on veut accéder aux détails mathématiques
utilisés dans les théories. On peut néanmoins
suivre la présentation donnée par Kuhlmann dans
l’encyclopédie de Stanford. La théorie
quantique des champs est susceptible d’être développée
dans deux directions. CQFT, avec le C signifiant conventionnel,
ou bien AQFT, le A signifiant algébrique car ce développement
utilise les C*-algèbres, ou bien axiomatique, ce qui
n’empêche pas de voir dans A le volet alternatif
de cette théorie. Dont on retiendra trois points.
I. D’abord
un contexte épistémologique lié à
la théorie quantique des champs qui, au moment de son
développement, a révélé des déficiences,
dès les années 1930. Malgré les succès
de la QED grâce à Feynman, ses diagrammes et
la renormalisation, les puristes ont vu dans la théorie
quantique des champs un manque de rigueur. Ainsi, au cours
des décennies 50 et 60, des approches algébriques
de la QFT ont été développées
par de brillants physiciens et mathématiciens dont
Daniel Kastler (fils du Nobel Alfred Kastler), co-auteur en
1966 avec Rudolf Haag d’un des articles de physique mathématique
les plus cités et portant sur l’AQFT. Ce qui était
une manière de placer la QFT sur d’autres rails.
II. Ensuite,
un détail en première analyse sans importance,
la non équivalence des deux représentations,
la conventionnelle CQFT et l’algébrique ou axiomatique
AQFT (cette absence d’équivalence se produit pour
la QFT car les degrés de libertés sont infinis
mais pas pour la MQ ordinaire). Mais si l’on creuse les
deux représentations en questionnant leur signification
du point de vue physique (et non plus mathématique),
alors on s’aperçoit qu’il existe des différences.
Ce qui selon Kuhlmann rend la situation moins claire. Il n’est
pas légitime de faire un choix en examinant la représentation
qui convient le mieux, comme s’il s’agissait de
deux cadres référentiels ou d’un ensemble
de coordonnées. Ce constat en apparence sibyllin laisse
deviner l’enjeu lié à ce choix. Il est
ontologique. De ces représentations découlent
deux manières de concevoir et comprendre le monde physique,
autrement dit de répondre à la question : qu’est-ce
que la matière ? On devine alors que c’est en
prenant appui sur la représentation algébrique
que Kuhlmann s’oriente vers une vision du réel
dont les éléments les plus fondamentaux (basiques)
ne sont pas les particules ou les champs mais des qualités
ordonnées avec des relations (l’algèbre
des observables)
III-a.
Enfin, le contenu mathématique des représentations
utilisées en QFT marque une différence importante.
Ce ne sont plus les observables qui constituent les éléments
mathématiques basiques de la « physique quantique
» (le monde réel si on veut) mais l’algèbre
des observables. Ce qui confirme le déplacement ontologique
depuis le doublet particule-champ vers une conception dominée
par les relations. Le monde est alors constitué d’un
« filet » ou mieux encore, d’un « tissage
» de relations (net), autrement dit, pour simplifier,
de structures, ce qui conduit à un réalisme
structural comme « philosophie de la matière
», comme le résume si bien Kuhlmann dans le Scientific
Américan, ajoutant que nous ne connaissons pas les
choses telles qu’elles sont en elles-mêmes, mais
les relations qu’elles nouent, qu’elles tissent
entre elles.
III-b.
Ce dernier point résume l’aspect révolutionnaire
du point de vue épistémologique et ontologique
contenu dans la AQFT. Les objets basiques de la « nature
quantique » ne sont plus les états observés
mais les observables structurées par un réseau
de relations formelles. Plus précisément, c’est
l’état qui opère sur l’algèbre
des observables pour générer les « nombres
» que l’expérience mesure. C’est donc
un renversement complet et c’est sans doute la seconde
révolution quantique, 70 ans après les travaux
de Schrödinger, Dirac, Heisenberg et les autres.
Perspectives
à venir
Kuhlmann
conclut son article en interrogeant le rapport entre physique
et métaphysique, plaidant pour une utilisation des
théories physiques ne se réduisant pas à
un usage empirique. Autrement dit, la physique des champs
nous permet d’accéder à la connaissance
fondamentale de la nature. Voilà pourquoi la QFT suscite
des controverses si intenses malgré ses incroyables
succès empiriques. On aurait pu s’en contenter
mais les philosophes et les théoriciens de la physique
sont curieux, insatisfaits et veulent en savoir plus. La combinaison
de la physique et de la philosophie ouvre alors un champ de
réflexion inédit. Des tonnes d’articles
et d’essais ont été publiés sur
la mécanique quantique et la cosmologie mais c’est
seulement maintenant (ou récemment) que la philosophie
et la physique se mettent à explorer une réalité
inédite avec la théorie quantique des champs,
longtemps restée en dehors du champ philosophique sans
doute à cause de sa difficulté d’accès.
Il est peut-être temps de prendre une « honnête
» distance avec la MQ et le modèle standard en
analysant le développement algébrique de la
théorie des champs qui semble-t-il, ouvre vers un accès
inédit au réel. Autrement dit, le grand enjeu
de la physique n’est pas le boson de Higgs que l’on
nous rabat dans les médias mais l’AQFT.
Hans Halvorson,
brillant philosophe rompu aux mathématiques des champs,
s’intéresse lui aussi à la théorie
quantique des champs axiomatisée. Dans un long développement
de 200 pages, il introduit le sujet en faisant remarquer que
parmi les physiciens spécialisés dans la théorie
quantique des champs, QFT (et qui ne sont pas nombreux), ceux
qui travaillent sur la version axiomatisée (AQFT) sont
très peu nombreux. Mais qu’il y a des raisons
profondes expliquant l’intérêt de quelques
philosophes envers ces formalismes censés représenter
la nature physique. Il suggère que les philosophes
sont déconcertés par le positionnement de la
QFT dans l’univers des mathématiques et qu’ils
n’ont qu’une alternative face à cette «
inintelligibilité » de la QFT ; soit se taire
ou bien explorer une autre voie permettant l’interprétation
de la théorie et c’est justement ce que permet
l’AQFT, la meilleure théorie (dixit Halvorson)
permettant de comprendre l’émergence de la QFT,
autrement dit et je n’espère pas me fourvoyer
dans cette lecture, une métathéorie en correspondance
avec une métaphysique qui se dessine en parallèle
avec cette métathéorie. Conduisant à
penser la nature physique comme tissage des relations entre
qualités et propriétés. Et non plus des
particules et des champs dont les « existences »
ont été réfutées par Halvorson
et les autres hussards de la « philosophie quantique
».
Pourtant,
on observe bien les particules dans les accélérateurs.
L’expérience consiste à réaliser
des chocs entre particules accélérées
à des énergies colossales. Cette énergie
produit lors du choc une déformation du « champ
quantique » produisant des singularités à
haute énergie (particules) dotées d’une
durée de vie éphémère mais suffisante
pour laisser une trace dans la chambre de détection).
C’est la « matière quantique » qui
est ainsi déchirée. D’un autre côté,
l’expérience quantique conduit bel et bien à
mesurer des états quantiques liés à un
processus microphysique, qu’on sait être «
porté » par une particule. En vérité,
ces choses ne sont pas niées, pas plus que la structure
du champ quantifié. Ce qui est rejeté, c’est
l’idée que champs et/ou particules puissent être
compris comme composants basiques de la nature physique.
On comprend
que les implications philosophiques et même métaphysiques
ne sont pas anodines et que ces questions de tissage de relations
entre propriétés rappellent étrangement
les philosophies orientales, le taoïsme notamment et
les premières pistes tracées par Capra lequel
basait ses réflexions sur la philosophie du bootstrap
par Chew, auteur d’un retentissant article dans Nature
en 1968, sorte de prodrome aux spéculations ontologiques
issues de la théorie quantique des champs. Mais c’est
plutôt du côté de Platon qu’on ira
chercher des correspondances. Car l’algèbre des
observables renvoie au monde intelligible. Les Idées
de Platon seraient déterminées par un ordre
algébrique. Et donc tissées entre elle par des
relations. L’état quantique correspondrait alors
à la part énergétique, matérielle
si on veut, permettant d’opérer sur l’algèbre
pour les exprimer, les matérialiser pour ainsi dire,
les faire passer dans le monde sensible, au prix d’une
déformation mais en conservant un peu de l’ordre
intelligible (les nombres exprimés par les états
quantiques). Pour Platon, il y a en effet une « communication
» entre l’intelligible et le sensible qui s’y
rapporte sans en exprimer la quintessence ni en revendiquer
la « gloire idéelle ».
Pour aller
plus loin, je vais tenter d’interpréter ces spéculations
quantiques qui entrent en relation ou connivence avec des
considérations métaphysique développées
il y a quelque temps, avec la Raison algébrique qui
dans le principe ressemble de près à l’algèbre
des observables, sauf qu’elle s’applique aux fonctions
de l’esprit et à l’histoire de la pensée
et des hommes (L’Expressionnisme, L’Harmattan, 1998).
Il y est question de miroirs métaphysiques, ce qui
offre un rapprochement avec l’involution qui est un élément
déterminant des C*-algèbres. Plus exactement,
une involution est une fonction qui, appliquée à
un élément deux fois, permet de revenir au même
élément. Par exemple, passer de x à moins
x, ou bien conjuguer un nombre complexe, (A*)* = A. C’est
ce qu’on peut appeler une « fonction en miroir
». Cela étant, un autre rapprochement peut-être
fait avec la métaphysique expressionniste que j’ai
développé et qui postule que le monde perceptible
et étendu est un champ d’expression causé
par un monde plus fondamental, celui du Procès. D’autres
développements ontologiques sont à prévoir.
Il faudra sans doute que je revienne sur mes spéculations
métaphysiques de 1996 où des liens étranges
se dessinent avec l’AQFT.
Pour généraliser,
on peut penser à un triptyque physique ou métaphysique
avec cette fois une correspondance avec l’entropie-information
déclinée en trois catégories, énergétique,
spatiale et organisationnelle. La particule s’exprimant
dans le champ (d’action, d’expression, d’observation)
porte une information-énergie. Le champ avec sa structuration
relève de l’information spatiale alors que le
monde représenté par l’algèbre des
observables contient une sorte d’ordre informationnel.
Ces considérations ouvrent également des perspectives
pour comprendre la logique du vivant. Un enjeu pour les prochaines
décennies. On le comprend dès lors qu’on
saisit la nouveauté de l’AFQT qui impose de revoir
la conception triviale du monde moléculaire avec les
atomes et les particules.
Le principal
enseignement à retenir, c’est que la représentation
et la compréhension de l’univers acquises depuis
les débuts de la science moderne au 17ème siècle
sont sur le point de basculer. Le monde avec ses objets basiques,
ses interactions, ses forces, perd son statut ontologique.
Le champ matériel et l’étendue ne sont
que des propriétés dérivées et
non plus fondamentales, même en les considérant
sous l’angle des théories quantiques conventionnelles.
L’illusion scientifique moderne s’effondre Elle
a consisté pendant quatre siècles à faire
comme si le monde physique étendu de Descartes, Newton
puis Einstein, avec l’espace-temps et la matière,
était le monde fondamental, un peu comme si on observait
l’écume au dessus des océans pour en conclure
que les fonds marins sont fait de cette même écume.
Nous ne sommes qu’au début d’une immense
révolution des connaissances.
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