Origines et évolution de la physique quantique

Dans un collisionneur de particules comme le LHC de Genève, lorsqu’un électron et un positron se rencontrent, ils sont annihilés, suite à la collision de la matière et de l’antimatière. Leur énergie est transférée au vide, cette énergie crée de véritables particules de matière issues de la dimension du vide, qui sont enregistrées pendant une infime fraction de temps dans les ordinateurs du CERN. Ainsi, à partir de rien, la matière apparaît, comme le boson de Higgs, qui a une espérance de vie de 10−22 s. Ceci est en contradiction avec la loi de conservation de l’énergie, car une certaine matière se crée et disparaît spontanément. C’est pourtant ce qui explique la physique quantique aujourd’hui.

Cette question dépasse le monde scientifique et se rattache de façon étonnante à la métaphysique orientale.

En Inde, vers 600 avant J.-C., il existait la doctrine vaisheshika qui était l’une des six écoles différentes existant dans l’hindouisme désignées par le terme dárshana, d’origine sanskrite. Cette philosophie – basée sur la perception et l’intuition – soutenait que l’univers était réductible à paramāṇu (atomes), qui sont indestructibles, indivisibles et ont une dimension particulière. Tout ce qui existe est un composé de ces atomes, sauf le temps, l’espace, l’éther (akasha), l’esprit et l’âme.

Après la période classique en Grèce, vient la période hellénistique. Cette période est caractérisée par une forte influence de l’Orient sur la pensée de l’Occident, suite aux campagnes d’Alexandre le Grand qui est venu en Inde. Des écoles se sont développées dans la Grèce hellénistique, dont l’épicurisme qui posait une vision du monde basée sur l’atomisme de Leucippe et de Démocrite.

Alexandre avec le peintre Apelles, par De Vaugelas. De la traduction française de Curtius publiée à Amsterdam en 1696.

Il y a des références à l’atomisme bien plus anciennes, de la part de Moïse de Sidon, un sage et penseur de Sidon (Liban) au 14ème siècle avant JC.

Les physiciens théoriciens du Moyen Âge étaient des philosophes. L’un de ces atomistes était Guillaume de Conches, qui connaissait les travaux des médecins arabes et grecs, comme Galien, grâce aux traductions du onzième siècle de Constantin l’Africain. La théorie atomiste atteint son apogée aux XVe et XVIe siècles avec la rénovation de Pierre Gassendi, grâce à la remise en cause de l’aristotélisme de Nicolas de Cusa et de Giordano Bruno.

Robert Boyle (1627-1691) a eu une grande influence sur Newton. Son livre « Le Chimiste sceptique » a mis fin à l’idée aristotélicienne des quatre éléments et des trois principes de Paracelse. Il a postulé que la matière était composée d’atomes et que le résultat de tout phénomène était la conséquence des collisions de ces atomes entre eux.

Cependant, l’histoire scientifique occidentale de l’atome commence à la fin du XIXe siècle, en contournant également les alchimistes médiévaux. Il y a peu d’informations sur eux car leurs pratiques étaient secrètes, afin d’éviter la Sainte Inquisition, ainsi qu’en raison du style hermétique qui accompagne l’alchimie depuis les temps anciens.

« Tout au long du XIXe siècle, les physiciens ont cru que les atomes n’existaient pas, qu’ils étaient des théories de chimistes pour mettre les choses au carré. Seuls Maxwell, Boltzmann et Einstein croyaient en eux. » [1]

À la fin du XIXe siècle, divers modèles de l’atome ont commencé à apparaître, du modèle classique de Dalton (1803) au modèle cubique de Lewis, en passant par le modèle Saturnine de Nagaoka, le Raisin Pudding de Thomson, le Planétarium de Perrin, le Nucléaire de Rutherford, l’Orbite circulaire de Bohr, l’Orbite elliptique de Sommerfeld, le Modèle d’onde quantique de Schrödinger et ses variantes relativistes de Dirac et Jordan.

Fonctions d’onde de l’électron dans un atome d’hydrogène à différents niveaux d’énergie. La mécanique quantique ne peut pas prédire l’emplacement exact d’une particule dans l’espace, mais seulement la probabilité de la trouver en différents endroits. Les zones les plus claires représentent une plus grande probabilité de trouver l’électron.

Avec l’émergence de la conception quantique de la matière, l’indétermination a commencé à s’imposer au monde scientifique.

Ludwig Boltzmann, soucieux de rechercher une relation entre le macrocosme et le microcosme, a été l’un des atomistes incompris de la fin du XIXe siècle. On dit que la mécanique quantique sera toujours redevable à Boltzmann pour son développement de la thermodynamique statistique. Cela a été crucial pour que Max Planck formule sa fameuse constante d’incertitude (h) pour calculer l’énergie d’un photon ou d’un quantum, ainsi que sa loi de la radiation électromagnétique émise par un corps à une température donnée.

À partir des années 1920, les belles mathématiques qui décrivaient le monde sont devenues des formulations probabilistes très complexes et le monde établi s’est senti mal à l’aise face à ces phénomènes qui ne pouvaient pas être vus et étaient impossibles à mesurer avec les formules de Leibniz et les lois de Newton.

Boltzmann et Einstein ont été des exemples récurrents du mécontentement des autorités universitaires, mais en réalité tous les physiciens quantiques étaient méprisés. La « Conférence Solvay de 1927 » a été le moment le plus important pour la physique émergente.

L’expérience de la double fente, qui avait déjà eu lieu en 1801 et dont plusieurs versions ont été réalisées, a donné lieu à de multiples interprétations. Dans l’observation expérimentale, la superposition quantique est évidente. Il se trouve qu’une telle observation non seulement perturbe ce qui va être mesuré, mais produit également ce qu’on appelle l’effondrement de la fonction d’onde de l’équation de Schrödinger. C’est-à-dire que lorsqu’une observation ou une mesure du système est effectuée dans une région, la fonction d’onde change instantanément à l’échelle mondiale. [2]

Machine à double fente : (gauche) Comportement corpusculaire, (droite) Comportement ondulatoire. Depuis sa conception initiale, des mécanismes de plus en plus sophistiqués ont été ajoutés pour contourner l’interaction expérimentale.

A Solvay, le choix s’est porté sur l’interprétation de Copenhague, qui a été préparée principalement par Niels Bohr et Werner Heisenberg. Le principe d’incertitude formule l’impossibilité d’effectuer une mesure expérimentale sans perturber ce qui doit être mesuré. De plus, le fait que chaque particule transporte une onde associée impose des restrictions sur la capacité à déterminer sa position et sa vitesse en même temps. Ainsi, la dualité onde-particule n’était plus seulement une propriété de la lumière, mais de toute la matière.

Conférence de Solvay, 1927.

Paul Dirac a rendu l’idée de beauté aux mathématiques avec sa fascinante équation, établie à partir de celle de Schrödinger. Il a établi que le champ électromagnétique est un monde où les particules agissent, arguant que le vide n’est pas vraiment vide et découvrant l’antimatière.

L’équation de Dirac a gagné une place sur l’Olympe des formules vénérées, aux côtés de celle de Pythagore, d’Einstein, etc.

Les conclusions tirées conduisent à une ouverture de l’esprit ; la physique quantique conduit à une autre façon de penser le monde. « Nous ne sommes plus seulement des observateurs de ce que nous mesurons, mais aussi des acteurs », dit Borh. Soudain, une science dure comme la physique commençait à remettre en question le paradigme de l’objectivité : pouvons-nous connaître la réalité sans la perturber et sans qu’elle nous perturbe ?

La théorie quantique détruit la notion de causalité, c’est-à-dire qu’elle préserve les concepts de cause et d’effet, mais modifie leur relation en la rendant probabiliste plutôt que causale. Lorsque deux particules, telles que des atomes, des photons ou des électrons, sont entrelacées, elles subissent une liaison inexplicable qui est maintenue même si les particules sont séparées aux extrémités opposées de l’Univers.

Selon Heisenberg, les objets microscopiques ne sont pas réels, mais sont de simples potentialités ; ils n’existent que dans un domaine abstrait, pas dans le monde physique ; ce qui correspond à une traduction mathématique, sans grand souci des questions métaphysiques.

Einstein, entre autres, n’était pas satisfait d’une théorie qui ne fermait pas le cercle. Une autre explication à l’interprétation de Copenhague était la théorie à variables cachées. La première idée de ce type est la théorie de l’onde pilote de Louis de Broglie et, plus tard au XXe siècle, de David Bohm. Pour Bohm, la métaphysique est précisément ce qui est essentiel en physique quantique.

Ses publications et notamment son ouvrage posthume « The Undivided Universe » (1993) représentent une synthèse globale de la pensée scientifico-philosophique de l’auteur, où il formalise également mathématiquement sa vision de la physique quantique. Bohm surpasse toute autocensure dans son interprétation du monde.

« La capacité à percevoir ou à penser différemment est plus importante que les connaissances acquises ». [3]

Pour Bohm, la physique quantique est le reflet du mouvement holistique de l’ordre concerné. En ce sens, on dit qu’il est déterministe. Toute la réalité est animée par un fond d’énergie en activité incessante, un mouvement causal qui soutient et génère à la fois. Ce mouvement comprend structurellement l’esprit et la matière. Le mouvement dans sa dynamique universelle produit la diversité des êtres et des phénomènes que nous captons par les sens.

Le néo-humanisme scientifique et l’orientalisation

La théorie à variables cachées de Luis de Broglie (non considérée à Solvay/1927) et David Bohm ont été l’inspiration du théorème de Bell, formulé en 1965, dans lequel John Bell affirme l’existence d’une connectivité universelle. L’entrelacement et l’action à distance font partie du monde microscopique. Les choses sont affectées malgré la distance, du fait qu’il n’y a rien qui ne soit pas lié à tout. Ce postulat, qui semble aller à l’encontre de la limite de la vitesse de la lumière, a été testé expérimentalement par Alain Aspect en 1983, confirmant la non-localité de l’univers au niveau des particules subatomiques.

« Supposons que, lorsqu’une formulation est tentée au-delà de l’usage pratique, nous trouvions un doigt inamovible pointant obstinément loin du sujet, vers l’esprit de l’observateur, vers des textes hindous, vers Dieu, ou même simplement vers la Gravitation, ne serait-ce pas extrêmement intéressant ? » [4]

En complément, la théorie des cordes pose l’idée que dans la vibration de certaines cordes se forment les particules qui composent la réalité. D’après cela, un électron ne serait pas un point sans structure interne et de dimension zéro, mais une minuscule corde en forme de boucle qui vibre dans un espace-temps de plus de quatre dimensions.

À la fin du XXe siècle, le paradigme de la thermodynamique classique qui avait été maintenu pendant des centaines d’années a pris fin.

En 1977, Ilya Prigogine a reçu le prix Nobel de chimie pour sa théorie sur les structures dissipatives. Ces structures ont fonctionné différemment des postulats de la thermodynamique classique. Il a montré que dans la chimie de certaines structures se produit un processus de création dans lequel les possibilités brisent leurs limites et sont libérées grâce à l’interaction aléatoire et hors équilibre.

« Nous passons d’un monde de certitudes à un monde de probabilités. Nous devons trouver le chemin étroit entre un déterminisme aliénant et un univers qui serait régi par le hasard et donc inaccessible à notre raison. »

Prigogine a exprimé la transition de la pensée et de la science au seuil du XXIe siècle avec une vision néo-humaniste.

« Nous redécouvrons le temps, mais c’est un temps qui, au lieu de confronter l’homme avec la nature, peut expliquer la place qu’occupe l’homme dans un univers inventif et créatif ». [5]

Le désir d’une théorie de tout est né.

Toute théorie doit pouvoir expliquer quatre forces fondamentales : l’électromagnétisme, la gravité et les interactions nucléaires faibles et fortes. La mécanique quantique est capable d’en expliquer trois. Toutes ces forces sont communiquées par une particule spécialisée, mais il n’y a pas de particule chargée de transmettre l’interaction gravitationnelle. Le « graviton » n’est pour l’instant qu’un concept théorique.

La théorie des cordes apporte une solution, car la vibration d’une corde donnée correspondrait précisément aux propriétés d’un graviton, qui est sans masse et se déplacerait à la vitesse de la lumière, tout comme le photon. Mais la théorie des cordes n’est qu’une hypothèse, l’existence des cordes n’a pas été prouvée.

Des milliers d’années plus tard, il est surprenant de constater à quel point la physique actuelle est similaire aux concepts mythologiques orientaux lorsqu’on affirme – comme l’une des idées les plus avancées sur l’origine de toute chose – que l’univers naît d’une fluctuation du vide, qui est doté d’une sorte de structure inconnue. Des ondes électromagnétiques apparaissent et disparaissent constamment, des particules qui existent et cessent d’exister, dans une sorte de danse primitive dont se constitue le temps et la réalité que nous percevons.

Un nouveau monde s’est ouvert devant l’être humain, dont la compréhension va au-delà de la compréhension empirique pour devenir une expérience totalisante, un éclatement qui intègre la conscience et le monde. En même temps, ce nouveau regard s’inscrit dans le contexte millénaire et les origines mystérieuses de la culture humaine.

« Le vide universel est, et tout le reste est dépourvu de réalité ontologique. Quiconque a compris cette vérité – qui est avant tout la vérité des bouddhistes Madhyamaka, en partie partagée par d’autres écoles – devient un Bouddha ».[6]

De multiples références au vide dans la cosmogonie hindoue se trouvent dans le « Manavadharmashastra » qui est le texte le plus important faisant référence au dharma. Elle traite des principes, des lois et des normes qui régissent le cosmos et la société humaine.

« A travers le samadhi, le yogi transcende les contraires et réunit, dans une expérience unique, le vide et le débordement, la vie et la mort, l’être et le non-être. De plus : le samadhi, comme tous les états paradoxaux, équivaut à une réintégration des différents modalités du réel, en une seule modalité : la plénitude indifférenciée d’avant la Création, l’unité primordiale. Le yogi qui atteint l’asamprajnata samadhi réalise également un rêve qui obsède l’esprit humain depuis le début de l’histoire : coïncider avec le Tout, retrouver l’Unité, refaire la non-dualité initiale, abolir le Temps et la Création ; et en particulier, supprimer la bipartition du réel en objetsujet ».[7]

 

Notes

[1] Comentaire de Miguel Alcubierre lors de sa 3ème conférence à l’UNAM, le 6 mars 2018.

[2] Le concept de « fonction d’onde » a donné lieu à de nombreuses controverses. Selon Richard Feynman, il s’agit d’une fonction complexe dans l’espace de Hilbert, c’est-à-dire d’un objet mathématique, et non d’un objet réel. Donc, il n’y a rien de physique qui puisse vraiment s’effondrer. Ce qui se passe, c’est que la résolution du système n’est pas décrite dans l’équation de Schrödinger.

[3] David Bohm

[4] Jhon Bell.

[5] Arnaud Spire. “El pensamiento de Prigogine. La belleza del caos”. Ed. Andrés Bello, Barcelona, 2000.

[6] Mircea Eliade. Le Yoga, Immortalité et Liberté. Ed. La Pléyade, Buenos Aires, 202.

[7] Ibíd., 104