Blog-note de jef safi

s’ e n t r e - t e n i r

avec . . Etienne Klein
Réel en soi ou réel observé ?

P.M. - n°95 - Décembre 2o15/janvier 2o16

lundi 7 décembre 2015

Les créateurs de la science moderne, Galilée et autres Descartes, adhéraient, pour ce qui est de la physique, au “mécanicisme”  : pour eux, toute description devait être formulée au moyen des seuls concepts de position, figures et mouvement, considérés comme innés. Ce mécanicisme irrigue encore notre façon de parler des objets physiques, et cela bien que le XXe siècle ait montré qu’il doit être dépassé. Un dépassement amorcé par Einstein mais parachevé par la révolution quantique.

En 1905, Einstein a 26 ans. Il élabore sa théorie de la relativité restreinte, établissant un lien fondamental entre espace et temps qui a pour conséquence une formule à la simplicité désarmante  : E = mc2. Dix ans plus tard, en 1915, il met la touche finale à sa théorie de la relativité générale, conception révolutionnaire de la gravitation.

Albert Einstein en six dates
1879 Naît à Ulm (Allemagne)
1905 Publie la théorie de la relativité restreinte
1915 Publie la théorie de la relativité générale
1921 Obtient le prix Nobel de physique
1933 Quitte définitivement l’Europe pour s’installer aux Etats-Unis
1955 Meurt à Princeton d’une rupture d’anévrisme

Ces deux théories montrent que les concepts familiers ne sont pas les mieux adaptés à la compréhension du monde physique, qu’ils sont même trompeurs et doivent être remplacés par des concepts plus abstraits. Le mécanicisme classique a ainsi été détrôné par ce nous pourrions appeler l’« einsteinisme » – l’idée que la réalité est structurée, qu’elle n’est certes pas atteignable au moyen des seuls concepts familiers, mais que, grâce aux mathématiques, elle est connaissable et intelligible. Et pourtant, ce n’était qu’un premier pas. La révolution ainsi engagée a été poursuivie par une génération de jeunes physiciens qui vont déstabiliser jusqu’à Einstein. Avec eux, la physique va carrément perdre une certaine idée du monde tout en gagnant de nouvelles connaissances  ! En 2015, cent ans après la publication de la théorie de la relativité générale, revenons sur les événements qui ont provoqué la crise de l’einsteinisme.

Les mathématiques, clé de compréhension de l’Univers  ?

Comme beaucoup de physiciens, Einstein s’émerveillait de la capacité qu’ont les mathématiques à mordre sur la réalité physique  : « Comment est-il possible, se demandait-il, que les mathématiques, qui sont un produit de la pensée humaine et sont indépendantes de toute expérience, puissent s’adapter d’une si admirable manière aux objets de la réalité ? La raison humaine serait-elle capable, sans avoir recours à l’expérience, de découvrir par la pensée seule les propriétés des objets réels  ? »

Mais par quoi les objets « réels » se caractérisent-ils  ? Pouvons-nous les saisir tels qu’ils sont ou ne nous sont-ils livrés qu’accompagnés d’une partie de nous-mêmes, par exemple de l’idée que nous nous faisons d’eux ou bien de l’influence des instruments que nous utilisons pour les saisir  ? Si Einstein est partisan de la première réponse, la révolution quantique va soutenir la seconde.

« La raison humaine serait-elle capable de découvrir par la pensée seule les propriétés des objets réels ? »

Au cours des années 1920, une nouvelle physique, « quantique », s’élabore. Elle rend compte du comportement des atomes et des particules, mais sème le trouble chez les scientifiques, Einstein y compris  : à tout système la physique attache traditionnellement des propriétés qui appartiennent en propre au système, et elle n’attribue pas de rôle fondamental à l’opération de mesure, considérée comme l’enregistrement neutre et passif de grandeurs existant objectivement. La physique quantique, elle, ne semble pas pouvoir être associée à un « engagement ontologique » aussi fort vis-à-vis des propriétés physiques, car elle peine à dire ce qu’il en est « objectivement » des particules. Elle enseigne que le fait de mesurer certaines de leurs propriétés modifie leur état physique, comme si la mesure n’était plus une opération neutre. Est-ce le signe que le cadre d’interprétation classique doit être abandonné  ? Ou bien qu’il manque à cette nouvelle physique des ingrédients dont la prise en compte la ferait rentrer dans le rang classique  ? C’est autour de ces questions que deux physiciens, Albert Einstein et Niels Bohr, vont s’opposer.

Sur quoi leur dispute porte-t-elle  ? Einstein loue l’efficacité opératoire de la physique quantique et sa portée pratique, mais, selon lui, une théorie physique doit également dépeindre les structures intimes du réel tel qu’il existe indépendamment de nous. Or, à ses yeux, la physique quantique ne fait pas bien cela.

Cette théorie stipule que, connaissant l’état d’un système physique, on ne peut généralement pas prédire le résultat d’une mesure faite sur lui, mais seulement calculer les probabilités d’obtenir tel ou tel résultat  : parmi tous les résultats possibles a priori, un seul est sélectionné, au hasard, par l’opération de mesure. Or, selon Einstein, une bonne théorie physique se doit d’éliminer le hasard, sinon de ses constructions, du moins de ses principes.

« Einstein tient au réalisme “ordinaire” des physiciens : la physique doit défendre l’idée d’un monde réel dont les plus minuscules parcelles existent objectivement »

Einstein tient au réalisme « ordinaire » des physiciens  : la physique doit défendre l’idée d’un monde réel dont les plus minuscules parcelles existent objectivement, au sens où existent les cailloux et les chaises, que nous les observions ou non. Pour lui, il y a des faits, des événements qui sont réels, au sens où ils ne sont pas seulement des « réalités pour nous », mais des « réalités tout court », qui doivent donc avoir une contrepartie dans toute théorie dite complète. Or, Einstein remarque que ce réalisme-là est laissé de côté par la physique quantique. Il aimerait donc démontrer qu’il existe des « éléments de réalité » que cette théorie n’appréhende pas, preuve qu’elle ne nous dirait pas tout ce que nous devrions pouvoir savoir de la réalité physique.

Pour illustrer ce point, imaginez que vous voyiez un livre dans une bibliothèque et que, lorsque vous voulez l’emprunter, vous vous entendiez dire par le bibliothécaire que le catalogue n’a aucune trace de cet ouvrage. Comme le livre portait les références semblant indiquer qu’il faisait partie du fonds de la bibliothèque, la conclusion, si vous suivez Ein­stein, est que le catalogue est incomplet.

Bohr, lui, répugne à considérer qu’il existe une réalité objective, indépendante de l’appareil de mesure. Selon lui, ce qu’une théorie physique peut prétendre décrire, ce sont seulement des phénomènes incluant dans leur définition le contexte expérimental qui les rend manifestes. Dans l’exemple du livre, sa position serait de considérer que le catalogue est bel et bien complet et que le livre que vous aviez cru voir sur l’une des étagères n’était qu’un produit de votre imagination ou une hallucination…

Ce débat entre Einstein et Bohr se concentre autour d’un article de seulement quatre pages signé par le père de la relativité assisté de deux jeunes collaborateurs, Boris Podolsky et Nathan Rosen (que l’on abrégera en EPR, d’après les initiales des trois signataires). Ce papier, publié le 15 mai 1935 dans la Physical Review, s’intitule  : « La description quantique de la réalité physique peut-elle être considérée comme complète  ? » Question à laquelle les trois auteurs répondent par la négative.

Leurs hypothèses sont les suivantes  :

(a) Les prédictions de la physique quantique sont justes.

(b) Aucune influence ne peut se propager plus vite que la lumière.

(c) Si, en ne perturbant aucunement un système, on peut prédire avec certitude (avec une probabilité égale à l’unité) la valeur d’une quantité physique, alors il existe un élément de réalité physique correspondant à cette quantité physique.

Mises ensemble, ces affirmations n’énoncent qu’un critère de réalité général. Elles précisent en effet ce qu’il faut entendre par le concept d’objet réel en restant proches d’un certain bon sens. Le critère (b) implique qu’il y a des cas où l’on peut être certain que, de deux événements, aucun n’influence l’autre  : lorsque ces deux événements sont si lointains dans l’espace et si rapprochés dans le temps que la lumière n’a pas le temps de les relier. Ils se déroulent alors « chacun dans leur coin » (un orage sur Jupiter ne saurait avoir d’effets immédiats sur la météo terrestre). Quant au critère (c), il exprime que si je peux prédire le résultat de la mesure d’une certaine propriété physique, et si ma prédiction est juste à tous les coups, alors je peux penser que la valeur trouvée pour cette propriété n’est ni une hallucination ni un fantôme  : un élément de réalité lui correspond nécessairement, que le formalisme des symboles mathématiques se doit d’intégrer sans quoi il ne pourrait être considéré comme complet.

Carte bleue ou carte verte  ?

Pour mieux comprendre, supposons que nous disposions de deux cartes, l’une bleue, l’autre verte, et que nous les placions chacune dans une enveloppe scellée. Mélangeons les deux enveloppes, puis donnons-en une à Paul et l’autre à Jules. Lorsque Paul ouvre son enveloppe, il découvre la couleur de sa carte. Si la carte de Paul est bleue, celle de Jules sera verte, et inversement. Comment interpréter cela  ? En disant que les couleurs respectives des cartes de Paul et Jules ont été « tirées au sort » au moment du mélange des enveloppes, que chacune d’elles était donc déjà déterminée (mais encore inconnue) avant que Paul n’ouvre son enveloppe, et que ce n’est pas le fait que Paul prenne connaissance de la couleur de sa carte qui va ensuite déterminer la couleur de celle de Jules. C’est ce type d’arguments que l’hypothèse (c) d’Einstein condense  : il y a un élément de réalité physique associé à la couleur de la carte de Jules, puisque, sans ouvrir l’enveloppe qu’il a entre les mains, il est capable de la connaître (il lui suffit pour cela de demander à Paul le résultat qu’il a obtenu).

Ce qu’Einstein et ses collègues démontrent ensuite, c’est que l’application de ce critère de réalité à la théorie quantique mène à un paradoxe. Ils établissent que l’ensemble des hypothèses (a), (b) et (c) conduit à attribuer à deux particules ayant interagi dans le passé des propriétés dont le formalisme quantique ne se fait pas l’écho. Ce dernier est ainsi pris en flagrant délit d’incomplétude. Il doit donc exister un niveau de description plus fin de la réalité que celui que propose la physique quantique…

L’article publié, Bohr prend les armes pour défendre la physique quantique telle qu’elle est. Mais il comprend vite que sa tâche sera délicate. Durant six semaines, il s’y consacre exclusivement, pris dans une sorte de transe.

« Ce débat sur la nature et l’accessibilité de la réalité a-t-il eu un immense écho chez les physiciens ? Pas vraiment »

Le résultat de ses réflexions tient en un article de six pages, reçu par la Physical Review le 13 juillet 1935, qui porte le même titre que l’article EPR. Bien sûr, sa réponse est un oui sans équivoque, mais son argumentation est plutôt confuse. Incapable d’identifier la moindre erreur dans l’argumentation d’EPR, Bohr fait essentiellement porter sa critique sur son critère de réalité, qu’il accuse d’avoir une faiblesse rédhibitoire  : dans certaines situations, explique-t-il, on doit se retenir d’accorder des attributs physiques aux objets « quand on traite de phénomènes pour lesquels on ne peut faire une distinction tranchée entre le comportement de ces objets eux-mêmes et leur interaction avec les instruments de mesure ». La vitesse d’une particule, par exemple, n’est pas un attribut propre de la particule, mais une propriété qu’elle partage avec l’instrument de mesure…

Ce débat sur la nature et l’accessibilité de la réalité, parce qu’il touche les fondations de la physique, a-t-il eu un immense écho chez les physiciens  ? Pas vraiment. À l’époque, la physique quantique va de succès en succès, et la plupart des physiciens délaissent ces questions qui leur paraissent « métaphysiques » (au sens de « au-delà de la physique » mais aussi de « sans conséquence pour la physique »). L’adhésion à l’une ou l’autre des positions leur semble donc affaire de goût, sans que cela ait de conséquences sur la mise en œuvre des équations quantiques.

Il faut attendre 1964 pour qu’un physicien irlandais, John Bell, modifie radicalement la situation grâce à un article, lui aussi de quelques pages seulement. Bell est au départ un physicien « réaliste » comme Einstein – il partage a priori son point de vue selon lequel les événements surviennent indépendamment du contexte expérimental de leur manifestation. Il remarque cependant que toutes les théories bâties dans le but de compléter la physique quantique par l’introduction de paramètres supplémentaires ne parviennent à satisfaire aux hypothèses (a) et (c) qu’en violant l’hypothèse de localité (b)  ! Autrement dit, ces théories sont « non locales ». S’agit-il d’une imperfection de ces théories particulières  ? Ou est-ce une propriété générale de toutes les théories à paramètres supplémentaires susceptibles d’être construites  ? C’est ce que John Bell veut savoir. À sa grande surprise, il parvient à démontrer que n’importe quelle théorie prétendant décrire la réalité et satisfaisant aux hypothèses (a) et (c) bafoue nécessairement l’hypothèse (b)…

L’arbitrage du laboratoire

Il devient alors possible d’envisager des situations où la physique quantique donnerait des prédictions différentes d’une théorie prétendant la compléter en respectant l’hypothèse (b), c’est-à-dire en introduisant ce qu’on appelle des « variables cachées locales ». La controverse entre Bohr et Einstein, au départ purement philosophique, allait pouvoir être tranchée en laboratoire  ! Au début des années 1980, une équipe de l’Institut d’optique d’Orsay, dirigée par Alain Aspect, mène à bien une série d’expériences montrant qu’en l’occurrence, ce sont les prédictions de la physique quantique telle qu’elle est qui sont justes, et non celles des théories alternatives respectant la localité.

Qu’est-ce à dire  ? Que, dans certaines situations, deux particules qui ont interagi dans le passé ont des liens que leur distance mutuelle, aussi grande soit-elle, n’affaiblit pas  : ce qui arrive à l’une des deux est irrémédiablement « lié » à ce qui arrive à l’autre, par l’entremise d’une connexion sans équivalent dans le monde ordinaire. Ce phénomène étrange, qu’on appelle la « non-séparabilité », impose de renoncer définitivement à interpréter la physique quantique dans le sens des idées d’Einstein  : le critère de séparabilité einsteinienne (ou de « localité ») est clairement bafoué par l’expérience.

Nul doute que si le père de la relativité, mort en 1955, avait pris connaissance de cette découverte, il serait tombé de sa chaise, à supposer qu’il fût assis à ce moment-là.

Ce n’est pas tant l’intelligibilité du monde qui se trouve ici remise en question que les caractéristiques qu’on a longtemps attribuées aux choses qu’il contient  : les particules quantiques ne peuvent plus être pensées comme de simples versions miniaturisées d’objets existant à notre échelle. Nous avons appris à l’école que « deux particules portant des charges électriques de même signe se repoussent ». Or, parler ainsi, c’est tenir un discours qui porte sur les choses elles-mêmes, indépendamment de notre rapport à elles. La physique quantique, elle, ne s’accorde pas avec une telle façon de dire, car elle fait jouer un rôle essentiel à l’opération de mesure, au point que l’on ne peut pas en donner une formulation dans laquelle il ne serait nulle part question d’instruments de mesure. Le réel dont elle parle n’est donc pas le réel en soi, tel qu’il existerait indépendamment de toute interaction que nous aurions avec lui, mais seulement le réel observé, « empirique ».