Chapitre 3 : La synthèse broglienne: vers une enquête philosophique de la
3.3.2. Le caractère approximatif des principes de la mécanique classique
hypothèses essentielles : la conception mécaniste du monde matériel (1), et la continuité des phénomènes physiques (2)161. Ces hypothèses ont conduit les physiciens modernes à une
conception cartésienne du monde matériel. L’univers est considéré comme une machine selon la vision cartésienne et susceptible d’être décrit par figure et mouvement et exprimable dans un langage mathématique. Dans la suite de cette section, nous défendrons l’idée que ces hypothèses qui fondent la mécanique classique sont en réalité des lois approximatives vis-à- vis de la mécanique quantique. Leur caractère approximatif est révélé par l’intervention du quantum d’action.
Dans la mécanique classique, l’univers s’apparente à une machine, c’est-à-dire à un ensemble de pièces juxtaposées dans l’espace et mobile dans le temps dont les mouvements et modifications sont continus et résultent des actions et réactions mutuelles. Les partisans d’une vision mécaniste du monde ont supposé qu’en un moment donné, l’application des mêmes conceptions du mécanisme universel conduirait à des succès du même ordre à l’échelle atomique. Mais les physiciens se sont heurtés à des difficultés lorsqu’ils ont voulu appliquer les mêmes hypothèses mécanistes en microphysique. La nouvelle mécanique a donc battu en brèche l’idée du mécanisme d’une part et d’autre part le continuisme de la mécanique classique. L’échec du mécanisme universel est dû selon de Broglie à une hypothèse admise dans la plupart des théories physiques : « Il est possible d’observer, et même d’étudier quantitativement l’état d’un système sans troubler aucunement cet état »162.
Dans la mécanique classique, on admet que le savant peut observer un système ou même faire des mesures sur ce système sans qu’il y ait aucun échange d’énergie appréciable entre le système et lui. On suppose donc que l’observateur peut décrire le monde de façon
161 L. de Broglie., Matière et lumière, op. cit., p. 275. 162 Ibid., p. 277.
objective, indépendamment de lui-même et des procédés de mesure. Ceci était possible parce que la valeur du quantum d’action était si petite qu’il était négligé par la mécanique classique. Or, l’extrapolation du mécanisme classique dans le domaine de l’infiniment petit est impossible, inexacte à cause du quantum d’action.
La mécanique pré-quantique fait ainsi preuve d’un réalisme classique. Elle postule l’existence d’une réalité connaissable et absolue, indépendante des observations comme des instruments de mesure. Elle postule l’existence d’un monde objectif dont les phénomènes physiques se déroulent indépendamment de l’observateur. En d’autres termes, la mécanique classique prône une séparation totale entre l’observateur et l’objet : c’est le « principe de la séparabilité ». La mécanique classique fait ainsi l’apologie d’un monde physique susceptible d’être décrite sans la participation active de l’observateur et indépendamment des conditions expérimentales. Il y aurait donc une réalité objective que l’on pourrait étudier sans que l’observation du physicien ne perturbe cette réalité. De Broglie écrit à ce propos : « La physique classique suppose essentiellement qu’il existe une réalité objective pouvant être décrite tout à fait indépendamment des sujets qui l’observent »163. La mécanique quantique mettra en défaut cette forme de réalisme. Le monde de la mécanique classique est complètement saisissable pour le physicien, car en mécanique classique, on suppose que l’observateur peut avoir accès direct à la nature. La mécanique classique repose ainsi sur « l’objectivité forte »164. Elle prône une conception du monde matériel qui estime que les phénomènes physiques se déroulent telles qu’elles se déroulent et non comme le savant ou l’expérimentateur puisse l’imaginer ou la concevoir. Le résultat d’une mesure expérimentale ne porte pas la marque de l’observateur. Tout porte à croire qu’en mécanique classique, l’interprétation des résultats porte sur la réalité elle-même. On peut donc dire que la mécanique classique proscrit toute subjectivité de l’agent d’observation165.
163 L. de Broglie., Matière et Lumière, op. cit., p. 277.
164 Bernard D’Espagnat emploie cette expression pour exprimer l’idée selon laquelle la mécanique classique repose
sur « l’objectivité forte ». Il affirme que l’objectivité forte caractérise les objets de la physique classique, parce qu’elle ne fait aucune référence même implicite, ni aux aptitudes des expérimentateurs, ni à des instruments de mesure définis par le fait qu’ils servent à faire des mesures. B. d’Espagnat., « physique et réalité », p. 164, Vol. 43 No ½, in Dialectica 1989.
Mais les révélations de la microphysique prouvent qu’on ne peut plus séparer nettement le phénomène observé ou mesuré de la méthode d’observation et de mesure. Ceci est évident dans le cas de la lumière lorsque le savant cherche à mettre en évidence l’aspect ondulatoire de la lumière, il choisit l’appareil de mesure et le protocole expérimental adapté à cet effet. « Le microcosme n’est pas une réalité objective pouvant être conçue ou décrite indépendamment des procédés qui lui permettent de la connaître »166. La physique quantique
ou la microphysique postule l’existence d’une réalité qui ne peut être décrit que grâce à l’intervention de l’agent humain ou de l’observateur, puisque dans le cas d’une observation on ne peut connaître le monde extérieur que par l’intermédiaire des sensations, et que toute sensation suppose toujours une action du monde extérieur sur un organe de nos sens, et par suite, un échange d’énergie entre le monde extérieur et notre corps. C’est pourquoi « dans le cas de l’expérimentation et de la mesure (…) il y a une intervention active du physicien dans un but déterminé. Il n’en est pas en toute rigueur licite de négliger l’intervention entre le système examiné et le dispositif employé par celui qui l’examine »167. L’interprétation de l’expérience en microphysique révèle la participation active de l’observateur. En physique quantique, il n’est pas possible d’étudier l’état d’un système sans le troubler ou le perturber. Il y a une sorte de déformation de l’objet au niveau microphysique. La physique quantique prouve que la description de la réalité physique tout à fait indépendante des moyens d’observations et de mesure est impossible168. C’est la raison pour laquelle de Broglie a
d’ailleurs conclu que la physique des quanta atténue ou rend plus incertaine la distinction entre le subjectif et l’objectif. « La découverte de phénomènes où les quanta interviennent et le développement subséquent de la théorie des quanta ont jeté un doute sur la possibilité de représenter les faits physiques par des images rentrant dans le cadre classique de l'espace et du temps, de décrire ces faits ‘’par figures et par mouvements’’ »169.
Dans le monde de l’infiniment petit, il n’y a plus de monde objectif qui évolue indépendamment de l’observateur, car la mécanique quantique repose sur le « principe de
166 L. de Broglie., Matière et lumière, op. cit., p. 280. 167 Ibid., p. 277
168 Ibid., p. 282
169 L. de Broglie., « Déterminisme et causalité dans la physique contemporaine », p. 372 présenté le 12 novembre 1929
l’inséparabilité ». La physique quantique est donc une théorie probabiliste et non déterministe selon plusieurs interprétations.
L’interprétation des résultats expérimentaux en physique quantique pose de facto le problème entre la subjectivité de l’agent et le phénomène observé. Il y a lieu de se demander ce qui se passe réellement au cours d’un phénomène physique ou atomique. L’interprétation d’une expérience en microphysique fait intervenir des éléments subjectifs. En effet, les résultats expérimentaux en mécanique quantique sont énoncés sous la forme de fonction. Les physiciens se servent des concepts classiques pour exprimer les résultats expérimentaux. Mais, ce qui ressort de l’expérience résulte de la connaissance de l’observateur sur l’objet. C’est pourquoi selon W. Heisenberg, « [on ne peut.], rendre complètement objectif le résultat d’une observation, nous ne pouvons décrire ce qui se ‘’passe’’ entre cette observation et la suivante. Nous semblons donc avoir introduit un élément subjectif dans la théorie, comme si nous voulions dire : ce qui se passe dépend de notre manière de l’observer ou du fait que nous l’observons »170. Dans le même sens, il ajouta que, en microphysique on ne peut pas
observer « la nature en soi ». Pour ce dernier, le mot « réel » vient du latin « res » qui signifie « chose ». Si l’on peut dire que les choses existent dans l’espace à trois dimensions de la physique classique, il n’en est plus de l’espace de configuration que postule la microphysique. L’objet quantique n’a plus d’existence indépendante du sujet qui l’observe. « Quand nous passons à l’observation, il est très important de se rendre compte que notre objet a forcément été en contact avec les autres parties du monde, à savoir les conditions expérimentales, l’appareil de mesure, etc. Avant l’observation et au minimum pendant l’observation »171. L’objet quantique n’existe que s’il est construit par l’observateur. Ce qui
renvoie au caractère subjectif de l’expérience en microphysique.
Cela souligne à nouveau un élément subjectif de la description des phénomènes (…), puisque le dispositif a été construit par l’observateur ; et il faut nous rappeler que ce que nous observons, ce n’est pas la nature en soi, mais la nature exposée à notre méthode d’investigation. En physique, notre travail consiste à poser des questions concernant la nature dans le langage que nous possédons et à essayer de tirer d’une expérience une réponse grâce aux moyens dont nous disposons. C’est ainsi que la théorie quantique nous ramène, comme l’a dit Bohr, à la vieille sagesse qui veut que, quand on cherche à introduire l’harmonie dans la vie, il ne
170 W. Heisenberg., Physique et philosophie. La science moderne en révolution, op. cit., p. 45. 171 Idem.
faille jamais oublier que, dans la tragédie de l’existence, nous sommes à la fois acteurs et spectateurs. Il est compréhensible que nos relations scientifiques avec la nature, notre propre action prennent une grande importance chaque fois qu’il s’agit de ces domaines de la nature dans lesquels nous ne pouvons pénétrer que grâce à l’emploi des instruments les plus perfectionnés172.
Contrairement à la mécanique classique, la mécanique quantique postule l’existence de deux types de réalités : le réel en soi, indépendant de notre existence, mais à jamais inintelligible, et le réel empirique, constitué de l’ensemble de phénomènes qu’on peut observer et mesuré. Le phénomène mesuré en mécanique quantique porte toujours la marque de l’observateur, c’est-à-dire, le réel quantique est construite par l’observateur. Parce que l’observation scientifique est une reconstruction du réel. Cette notion de reconstruction du réel, nous l’appréhendons dans la perspective Bachelardienne. En effet, pour Bachelard, observer n’est pas voir, l’observateur ne se borne pas à contempler passivement la nature ou le phénomène. L’observation scientifique exige au contraire la participation de l’esprit, qui la provoque en fonction de ses propres exigences. Le cas de la mise en évidence des deux aspects de la lumière est une illustration. L’observation n’est donc pas un pur constat, dépourvue de toute idée préconçue, elle est le résultat d’une volonté de reconstruction du réel. En fait, ce n’est pas la raison humaine qui se règle sur les objets quantiques qu’elle identifie, mais c’est l’objet qui est construit conformément à l’idée que s’en fait d’abord la raison. C’est en ce sens que Bachelard écrit : « Après avoir formé, dans les premiers efforts de l’esprit scientifique, une raison à l’image du monde, l’activité spirituelle de la science moderne s’attache à construire un monde à l’image de la raison »173.
La conception mécaniste de la physique classique s’est heurtée en microphysique à l’idée de « perturbation expérimentale », c’est-à-dire à l’idée qu’en microphysique il est impossible de décrire l’univers matériel sans y introduire des perturbations. Parce que, « une observation ne nous fournit jamais une connaissance tout à fait exacte [par exemple de la position et du mouvement d'un corpuscule] ; il y a toujours une certaine erreur possible et, d'ailleurs, toute observation trouble un peu ce que l'on veut observer »174. La difficulté que soulève la
172 W. Heisenberg., Physique et philosophie, op. cit., pp. 44-45. 173 G. Bachelard., Le nouvel esprit scientifique, Paris, PUF, 1934, p. 16.
174 L. de Broglie., « Déterminisme et causalité dans la physique contemporaine », p. 372 présenté le 12 novembre 1929
mécanique quantique est celle du rapport entre l’objet et l’observateur. Le postulat quantique implique l’indissociabilité de l’interaction entre l’observateur et l’instrument de mesure. L’action et la rétroaction s’effectuent par échange du quantum d’action, il est difficile de distinguer ou de séparer le phénomène caractérisé par un certain nombre de propriétés et ce qui revient à l’appareil. Cela est possible en mécanique classique. L’on peut dissocier ou séparer nettement l’objet de l’observateur et remonter au phénomène pur. Mais, en mécanique quantique, il semble que « l’étendue de la perturbation apportée par la mesure ne puisse jamais être déterminée »175. C’est pourquoi en microphysique, on ne peut plus saisir
le phénomène à l’état pur, car, le postulat quantique lie l’observation a une « interaction finie avec l’instrument d’observation »176. L’appareil de mesure interagit de façon incontrôlable
sur les mesures effectuées. Et la grandeur finie du quantum d’action ne permet pas de faire entre le phénomène et l’instrument d’observation la distinction nette qu’exige le concept d’observation »177. L’interprétation expérimentale en mécanique quantique fait intervenir des
éléments subjectifs. C’est pourquoi de Broglie répondait à ses détracteurs en ces termes : « Si l’on admet l’existence d’une réalité objective, indépendante des procédés de mesure, le point de vue de l’interprétation actuelle de théories quantiques doit être abandonné »178. La mécanique quantique nous permet ainsi d’appréhender que la description du monde n’est pas objective, mais cette description est une interaction entre l’observateur et la nature. C’est en ce sens que Heisenberg souligne l’interaction entre l’objet observé et l’observateur en ces termes : « Les sciences expérimentales sont élaborées par des hommes : elles ne se contentent pas de décrire et d’expliquer la nature ; elles sont une partie de l’interaction entre la nature et nous : elles décrivent la nature telle que notre méthode d’investigation nous la révèle. »179 Le
monde microphysique échappe totalement à l’observation directe, même avec les plus puissants appareils de mesure. Le mécanisme classique ou traditionnel est donc remis en cause par la nouvelle physique. D’ailleurs, Dominique Lecourt, en faisant une étude rétrospective de la mécanique classique affirme que Ernst Mach dans son ouvrage La
175 Niel Bohr., (1929), p.10 cité par Michel Bitbol in La mécanique quantique. Une introduction philosophique, Paris,
Champs, p. 246.
176 Idem. 177 Idem.
178 L. de Broglie., 1982. Cours donnés à la Sorbonne pendant les années 1950/1951 et publiés en 1982. Le manuscrit,
déposé aux archives de l’Académie de sciences (42J/ boites 37), Paris, Gauthier Villars, 1990.
Mécanique. Exposé historique et critique de son développement, publié en 1883, fustigeait
déjà le mécanisme sur lequel repose la mécanique classique. « En combinant une réflexion philosophique, enquête historique et analyse psychologique, il présenta la genèse des principaux concepts de la mécanique classique : masse, force, espace et temps. Son analyse avait pour but de monter qu’il n’existe aucun phénomène mécanique »180. Il réfutait par-là le
préjugé de son époque selon lequel, la mécanique constitue « la base fondamentale de toutes les autres branches de la physique, et suivant lequel tous les phénomènes physiques doivent recevoir une explication mécanique »181. L’avènement de la thermodynamique lui permit
ainsi de réfuter le mécanisme universel. Autrement dit, l’explication des phénomènes physiques n’est pas uniquement l’apanage des lois de la mécanique classique.
La mécanique quantique permet ainsi d’identifier deux traits fondamentaux des phénomènes physiques : leur indivisibilité et leur irréversibilité182. L’indivisibilité des phénomènes quantiques s’explique par le fait qu’on ne peut pas dissocier les conditions expérimentales de l’apparition de ces phénomènes. Ces phénomènes reflètent et sont intimement liés aux éléments contextuels. Et leur irréversibilité est liée au fait qu’elles sont associées à des processus de mesures à partir d’instruments dont l’inversion est improbable.
L’indivisibilité entraîne la dépendance des gammes de phénomènes possible à l’égard d’une classe de dispositifs expérimentaux, et l’irréversibilité associée à l’indivisibilité implique la dépendance de chaque phénomène effectivement survenu à l’égard des circonstances particulières de l’expérience qui y a abouti. Le phénomène s’identifie dès lors à une occurrence unique, dépendant à la fois d’un appareil et d’un moment inanalysable de son fonctionnement, et dont la reproductibilité sous des conditions instrumentales identiques est seulement statistique183.
L’irréversibilité des phénomènes ondulatoires et quantiques explique aussi l’échec du mécanisme classique. Le caractère dissymétrique des phénomènes est révélé par la structure discontinue de la matière. Ce caractère dissymétrique échappe à la mécanique classique, car « c’est précisément un trait des phénomènes purement mécanique d’être réversible : le mobile porté de A en B peut être ramené de B en A. Elle ne tient pas compte davantage de
180 E. Mach., La mécanique, (1883) cité par Dominique Lecourt in La philosophie des science, Paris, PUF, 2018, p. 25. 181 Idem.
182 M. Bitbol., Mécanique quantique. Une introduction philosophique, op. cit., p. 244. 183 Ibid., pp. 244-245.
sa dissymétrie »184. La mécanique classique explique tous les phénomènes par figure et mouvement, c’est-à-dire qu’elle ramène les lois qui gouvernent les phénomènes aux seules lois de la mécanique. En mécanique classique on conçoit que les phénomènes ont une nature réversible, c’est-à-dire que le mouvement peut être effectué dans les deux sens : soit de A vers B ou de B vers A. Tout d’abord le temps est irréversible, c’est-à-dire impermutable. Le temps n’est pas isotrope selon l’expression de R. Blanché. Or, les faits réversibles se déroulent dans l’irréversibilité du temps. En mécanique quantique, les événements qui s’y déroulent sont orientés de façon qu’ils ne peuvent pas à l’intérieur d’un système rebourser chemin. L’irréversibilité des phénomènes à l’échelle élémentaire pose de sérieux défis à la réversibilité des phénomènes à l’échelle macroscopique.
Un autre principe de la mécanique classique remis en cause définitivement par la nouvelle mécanique est celui de la continuité des phénomènes physiques. La nouvelle physique repose sur une nouvelle dynamique. En mécanique classique, il est possible de suivre l’évolution d’un système de corpuscules ou groupe de corpuscules dans l’espace et le temps. Ceci est d’autant vrai puisque la valeur du quantum d’action est négligeable au niveau des phénomènes macroscopiques. Cette hypothèse de la continuité du mouvement est ébranlée par l’introduction de la constante h qui a une valeur finie. « À cause de la valeur finie de h, la description d’un système mécanique en termes d’espace et de temps est incompatible en microphysique avec la spécification exacte de l’état dynamique »185. En mécanique classique
les coordonnées à un instant t d’un mobile ou d’un système mécanique définit sa localisation spatio-temporelle. Les dérivées des coordonnées par rapport au temps servent à définir l’état de mouvement, c’est-à-dire l’état dynamique. L’état dynamique est défini par des valeurs constantes de l’énergie et de la quantité de mouvement. Dans la nouvelle physique, l’état dynamique est associé à une onde. L’onde associée permet de suivre l’évolution du système. L’onde permet également de prévoir les résultats de mesures d’une grandeur mécanique et les probabilités de ces résultats. C’est pourquoi il est difficile de suivre l’évolution d’un système en se servant des principes classiques, car la discontinuité quantique s’oppose à la continuité des phénomènes à l’échelle élémentaire. Par exemple, les travaux de Bohr ont
184 R. Blanché., La science actuelle et le rationalisme, op. cit., p. 21. 185 Ibid., p. 282.
montré que l’énergie atomique étant dans un état stationnaire forme une suite discrète. Le passage de cet état stationnaire à un état dynamique avec émission des radiations échappe à toute description spatio-temporelle. Ces découvertes révèlent ainsi l’incompatibilité entre la conception d’un état dynamique stationnaire et la description en termes d’espace et de temps.