Les objets n’existent pas dans l’univers quantique selon Steven French

1. Le réalisme ontologique part à la recherche des structures

L’expérience quotidienne nous persuade que le monde est composé de différents objets dotés de qualités, de propriétés et pouvant être mesurés, en taille, en poids. Ces objets matériels coexistent avec les êtres vivants individués, doués de propriétés stables ainsi que de capacités adaptatives. La physique moderne a étudié les objets matériels en les représentant par des points mathématiques dans un référentiel spatiotemporel. Mais si l’on examine les choses étudiées par la physique quantique, alors l’image ordinaire s’effondre. Quelles « choses » sont représentées dans la mécanique quantique ? Des objets, des atomes, des particules ? Rien de tout cela nous explique le philosophe de la physique Steven French dans un ouvrage roboratif dépassant les 350 pages et les 700 références bibliographiques. Un travail bien ficelé récemment publié chez OUP (S. French, The structure of the world – metaphysics and représentation, Oxford University Press, 2014). La thèse développée, c’est qu’au niveau le plus élémentaire de la réalité, on ne trouve pas des objets mais autre chose, des relations, des structures.

La physique quantique « trouve » des structures, admettons que ce soit le cas. Un philosophe dans l’âme, qu’il soit du temps de Socrate ou du 21ème siècle, refuse les sentences évidentes en construisant et déconstruisant le réel car les choses ne vont pas de soi. Alors quand on dit que la physique « trouve » des structures, il existe deux types de discours. Trouve-t-on les structures parce qu’elles sont dans la Nature, ou bien ces structures ne sont-elles que les formes connues de cette même Nature ? Telle est l’alternative exposée dès le début par French qui présente les deux pôles de ce choix (p. 2). Le réalisme structural épistémique (ESR) postule que tout les structures sont ce qui est connaissable et progressivement connu. Le réalisme structural ontologique (OSR) va plus loin en affirmant que tout ce qui est dans l’univers physique, ce sont les structures. La première option induit une sorte d’agnosticisme face à cette Nature qui reste partiellement voilée, avec des éléments cachés et d’autres accessibles à la connaissance (cette option n’est pas très éloignée du réel voilé de Bernard d’Espagnat). La seconde option conduit à reconceptualiser les choses quitte à fonder les « objets » sur des structures, voire carrément dissoudre ces mêmes objets dans une réalité où seules les structures sont les éléments fondamentaux. Mais au fait, que sont ces structures ? Et bien c’est cette question à laquelle tente le répondre le plus complètement possible French dont les développements sont explicités dans une douzaine de chapitres, chacun présentant un volet particulier de cette conjecture examinée comme si c’était une enquête philosophique au cours de laquelle les témoins de la physique contemporaine sont interrogés. Au cours de ce procès philosophiques, des conceptions sont rejetées alors que d’autres sont acceptées pour un acte final où le réalisme structural ontologique finit par l’emporter. Après, on peut adhérer ou non à la conclusion mais quelle que soit l’option choisie, on est certain que la structure du monde, autrement dit « ce qu’est la Nature du point de vue physique », restera pendant un « certain temps ou plus » une énigme philosophique. La lecture de ce traité s’impose à tous ceux qui cherchent à comprendre comment fonctionne l’univers et quelle est sa nature. L’auteur ne cache pas ses intentions visant à jeter un pont entre le « monde physique » et l’univers métaphysique qui en fait, est conçue comme une « substructure ». J’emploie cette notion à dessein, le préfixe sub signifiant ce qui se tient en dessous, rejoignant ainsi la notion scolastique de substantia. La grande différence étant que dans la métaphysique post-moderne, les spéculations philosophiques portent non pas sur des essences mais sur des structures, des symétries, des lois, des principes.

Qu’est-ce que la Nature, ou plutôt la matière telle qu’elle transparaît dans les études quantiques ? Comme le rappelle French dans le chapitre 4, cette question s’est posée très tôt, dès les premiers résultats fondamentaux de la physique quantique où se dessinent déjà les conceptions structuralistes. French met en scène cette histoire cachée du structuralisme physique dont on peut dire qu’elle marque les débuts d’une rupture inéluctable avec la mécanique ancienne. L’un des principaux acteurs de cette aventure fut le philosophe néo-kantien Cassirer, auteur de fulgurantes analyses sur la place, la nature et l’existence de l’objet dans un monde physique où les invariants formels sont plutôt les symétries et les lois. En reprenant une idée scolastique, dans une certaine mesure, l’objet serait un accident de la « substance substructurée ». Ou peut-être pas un accident mais une forme dérivée, secondaire, presque « dévaluée » du point de vue ontologique (ici c’est Platon qui s’invite avec le sensible comme expression émanée et dévaluée de l’intelligible). La physique contemporaine du 20ème siècle confirme ainsi les intuitions de Cassirer présentées en 1910 dans son ouvrage sur Les concepts de substance et de fonction, dans lequel il tente de prouver que les concepts utilisés dans les mathématiques et les sciences de la nature ne se rapportent pas à des objets mais à des relations. Autant dire que la mécanique quantique et la relativité se prêtaient à une formulation « relationniste ». Le principe de covariance en cosmologie relativiste se comprend comme une relation, un ajustement entre deux entités. En suivant une démarche différente, le physicien Eddington est parvenu lui aussi à forger une conception structuraliste de la Nature telle qu’elle se dévoile avec les sciences physiques. Il penche pour un structuralisme subjectiviste (p. 79). Eddington a réfléchi avec perspicacité aux conséquences de la mécanique quantique, n’hésitant pas à suggérer que le concept général d’objet, si déterminant dans la science classique, n’est autre qu’une légende de l’individualité, une sorte de mythe que la physique quantique a déconstruit en dissolvant l’univers des singularité au profit d’un monde régit par les symétries et les transformations liées aux groupes mathématiques (p. 82). Les soi-disant caractères des particules que sont la masse, la charge, le spin, l’isospin, etc. ne seraient en réalité que des aspects de la structure naturelle du « monde physique ». Selon Eddington, la croyance infaillible au monde des objets a été exportée dans un monde quantique où cette croyance n’a plus de bases empiriques. Notre sensibilité perçoit des objets. Mais si l’on prend comme instrument de connaissance la physique quantique, alors il n’y a plus d’objets. Le tableau ne serait pas complet sans mentionner Wigner et surtout le mathématicien Weyl qui avec ses travaux sur les groupes participa à forger le structuralisme ontologique que French se propose de défendre en le développant. La conclusion du chapitre 4 précise son intention ; celle de revenir sur ces notions de symétries qui ont été négligées pendant des décennies par les métaphysiciens qui ont semble-t-il délaissé les vieux écrits de Cassirer, Eddington et Weyl, qui sont à l’origine du courant structuraliste qui se dessine actuellement chez quelques philosophes de la physique. Le principe d’individualité est abandonné mais la causalité reste, ne serait-ce qu’à travers le principe d’influence structurale qui sera discuté dans le chapitre 11 avec l’étude des champs censés être des « systèmes d’effet ». Et toujours cette interrogation sur la conceptualisation de structures sans objets et la compréhension des effets causés, mais qui par quoi se demande-t-on car si dans la mécanique classique, les objets causent les effets, dans la physique actuelle les objets ne « sont plus là » mais les effets sont bel et bien présents ?

Eliminer les objets en physique ne va pas de soi, comme d’ailleurs toute spéculation philosophique. Dans quel sens peut-on considérer l’objet comme « supprimable » et à quel prix ? French consacre les chapitres 7 à 10 à cette question centrale. Tandis que les chapitres 5 et 6 livrent une réflexion sur la manière de présenter et représenter les objets en relation avec structures et notamment les formes précises qu’elles adoptent dans le domaine quantique avec ses symétries de groupes. French insiste sur la distinction entre présentation et représentation. Et cela dans le contexte d’une interrogation sur les relations entre structures et objets. Je crois pouvoir traduire cette conjecture par la question suivante : les structures « portent » les objets ou bien sont-ce les objets qui possèdent des structures, à moins que ces objets n’offrent que des figures ? D’où un diagramme possible, sub-structures -> sub-objets -> motifs et figures. Conclusion du chapitre 7 : Au niveau métaphysique, les particules élémentaires ne sont pas des objets mais des structures. Mais il est difficile de bien cerner tous les éléments et surtout de distinguer les mathématiques et les structures physiques. C’est le problème fondamental que rencontrent tous les interprètes de la physique contemporaine. Défricher et déchiffrer en traversant la forêt des mathématiques quantiques. Déchiffrer aussi le propos de French décliné dans de multiples angles de vue qui pourraient perdre le lecteur désinvolte mais qui aussi instruisent le scrutateur attentif à la connaissance du monde qui ne se réduit pas aux évidences sensorielles ni aux conventions épistémologiques devenues si banales dans la littérature des physiciens.

Les questions posées par French n’ont pas de réponse mais elles ont le mérite d’être des questions fondamentales sur les objets, sur l’essence de la Nature telle qu’elle peut-être extrapolée à partir des résultats de la physique quantique. Avec un questionnement déterminant sur les structures mathématiques et les efficiences physiques qui sont représentées ou non car les mathématiques offrent plus de déterminants structurels que nécessaire pour coller aux structures physiques qui elles, doivent être efficientes. Certes, il y a des relations formelles mais aussi des effets dans le « monde matériel ». Le chapitre 8 tente de démêler les choses mais avec difficultés. La conclusion du chapitre n’a fait que préciser la question. Comment, en prenant en considération l’absence de socle causal (de fondement, de fondation), séparer les structures mathématiques des structures physiques ? Et comment construire les fondements ? (Chapitre 10). Les lois et symétries seraient alors les « essences mathématiques » des structures sous-jacentes. Comme si le monde manifesté était fait de pièces d’un puzzle fondamental auquel nous n’accédons que partiellement. C’est cette idée qui se dégage des investigations de French. Et que pas mal d’études confirment. Le réel est voilé mais il faut le dévoiler.

2 Coup d’œil sur les conséquences du réalisme structural ontologique et la seconde crise de l’objectivité

Si l’on admet que les résultats de French traduisent la réalité, les conséquences philosophiques méritent d’être interprétées car la vision de la Nature s’écarte des schémas hérités de la modernité. Plus précisément, le changement de vision porte sur la matière et les objets. (i) Locke et Condillac. Dans un « certain » contexte philosophique moderne, les notions de matière et d’objet coïncident proviennent de l’expérience sensible. D’ailleurs, le sensualisme au 18ème siècle est une doctrine philosophique de la connaissance, développée par Condillac, héritée de Locke, et qui réduit tout, la pensée incluse, à un résultat causé par nos sensations. Cette doctrine est interprétée comme un matérialisme. (ii) Newton et Lagrange. Dans un contexte scientifique moderne, les objets sont des individualités représentées dans la mécanique rationnelle par des points mathématiques auxquels on attribue des quantités et des paramètres, énergie, temps, espace, force, etc. (iii) Bohr. La physique quantique utilise des formalismes étrangers à la physique classique mais en reprenant la plupart des ses outils et quantités. Energie, lagrangien, hamiltonien, masse, etc. Il en a résulté une première crise de l’objectivité, avec l’abandon de l’idée d’une particule suivant une trajectoire et l’apparition d’un indéterminisme (la réduction de la fonction d’onde). Bohr a tenté de raccorder les deux mondes, quantique et classique, en forgeant les principes de complémentarité et de correspondance. Ce qui est légitime si on suppose une unité ontologique qui doit se traduire en cohérence épistémologique. Autrement dit, le monde microphysique est comme le monde classique, c’est un univers mécanique, ou dynamique si on veut. (iv, a) French et le réalisme structural. Les recherches en philosophie de la physique semblent conduire vers une seconde crise de l’objectivité dont les ressorts et les aboutissants sont radicalement étrangers aux « bonnes intentions » de Bohr et des partisans de l’orthodoxie. Cette seconde crise est facile à comprendre dans ses généralités et ce qu’elle suppose de la Nature. Au lieu de « tirer » le monde quantique vers le monde mécanique classique, French plonge au plus profond des théories quantiques pour déceler ce qu’elles disent de la Matière telle qu’elle se dévoile après les expériences et à travers les modèles mathématiques. La crise n’est pas épistémologique, elle est ontologique. Pour s’en convaincre on remarquera l’inversion du sens de la réalité. Dans la première crise de l’objectivité, le monde classique fait douter du monde quantique. Dans la seconde crise, l’objet ayant disparu de l’univers quantique, on se met à douter des objets du quotidien comme peut l’être une table. French est parfaitement conscient du dilemme et consacre le chapitre 7 aux conséquences de l’élimination des objets dans le réalisme structural ontologique (OSR). La conclusion étant que la vision classique de l’objet (comme une chaise, un chien) n’est pas incompatible avec la disparition de l’objet « particule » dans le réalisme quantique. (iv, b) Perception et conception. La discussion menée par French est très technique, avec une allusion aux premières tentatives d’élimination suggérées dès 1928 par Eddington selon lequel la table que nous percevons n’est pas la même que la table « conçue » par la physique car elle est faite essentiellement de vide et non pas de substance. Cette considération permet de comprendre facilement le dilemme. L’objet « table » est un objet perçu, alors que l’objet « particule » est un objet conçu. Le monde quantique ne permet pas de concevoir des objets mais des structures. C’est ce qu’il faut retenir comme donné fondamental. Maintenant, si on veut pousser plus loin, on peut se demander comment on passe de l’objet « particule » conçu à l’objet « table » conçu. Comment se conçoit le monde matériel perçu si au niveau élémentaire il n’y a pas d’objets ? Peut-être sous l’angle d’une transition de phase. Un seuil de « phénomènes quantiques » permet de faire émerger un objet perçu et surtout percevable. (v) La dernière crise de l’objectivité. Ce dernier point sort du cadre de l’étude proposée par French. Il permet de situer la prochaine étape dans l’interprétation de la physique quantique. Celle que je vais tenter d’esquisser prochainement.

3 Structures, efficience et sens (méta)physique des choses

Pour compléter ce voyage dans les structures quantiques face au réel, une réflexion mérite d’être évoquée, celle qui interroge la causalité et donc l’efficience des structures. Ces interrogations découlent du dilemme entre les structures mathématiques et les structures physiques. A la fin du chapitre 8, French prend soin de poser la question sur la distinction entre ce qui est mathématique et ce qui est physique et ce, en adoptant un angle de vue métaphysique. Une question, comment comprendre la causalité d’une loi ? On peut entendre cet énoncé en postulant que la loi est ce qui cause les effets observés et les phénomènes physiques. Une deuxième possibilité est envisageable. La loi est causale du moment où elle explique les relations entre les différentes entités objectives. Pour bien saisir la différence, imaginons une machinerie avec des rouages et des mouvements. Dans le premier cas, la loi décrit les rouages ainsi que le processus par lequel les mécanismes sont mis en mouvement. Dans le second cas, la loi ne décrit que les relations entre rouages, autrement dit le plan de montage des composants. C’est à partir de ce type d’argumentation que découlent plusieurs alternatives et controverses dont l’une des plus actuelles oppose le réalisme des dispositions au réalisme des structures. C’est ce qu’on peut appeler la controverse de l’efficience. Trois chapitres (9 à 11) sont consacrés à ces recherches sur les causes et le sens physique, voire métaphysique, des choses représentées dans les formalismes quantiques appliqués à des ensembles d’éléments (champ quantifiés notamment).

Comme on pouvait s’y attendre, la partie s’achève avec le lagrangien dans la théorie quantique des champs, QFT (p. 322). En effet, le lagrangien (différence entre énergies cinétique et potentielle) nous reconduit toujours vers une signification physique. Ce choix concerne l’interprétation du modèle standard. La version algébrique de la théorie des champs (AQFT) est examinée avec les conséquences à la fois technique (les problèmes des infinis rencontrés en théorie des champs) et interprétatives (p. 307). Il faut en effet retrouver le sens physique. La version algébrique est décrite comme élégante par French mais le sens physique lui fait défaut. Le contenu physique est « codé » par le réseau algébrique des observables alors que le champ est une entité qui coordonne les éléments du réseau. De plus, la version algébrique laisse de côté un élément fondamental de la physique comme peut l’être la loi reliant le spin et la statistique, avec les deux comportements des « particules », celui des fermions décrit par la statistique de Fermi et Dirac, celui des bosons décrit par la statistique de Bose et Einstein. Verdict : ce qui fait la force du réalisme ontologique structural, c’est le modèle standard plus le lagrangien utilisé dans la formalisation des champs quantifiés.

Dans d’autres pages, j’ai interprété l’équation de Schrödinger appliquée aux états stationnaires. Une dualité forme énergie est présente. Sans doute que cette dualité se dévoile à travers le lagrangien qui en QFT renvoie au pôle énergie. Alors que le pôle formel est donné par les structures (en l’occurrence les symétries liées aux trois groupes dans le modèle standard, sans oublier le groupe de Poincaré lié à l’orientation spatiale). Dans le contexte des champs quantifiés, une dualité structure énergie peut être suggérée comme une extension de la dualité forme énergie. Mais French sait pertinemment que la partie ne peut se jouer en restant dans le cadre de la physique quantique, évoquant dans la conclusion finale des options réalistes supplémentaires et peut-être englobantes, avec l’interprétation des deux branches de la cosmologie quantique, gravitation à boucles et cordes. Nous verrons cela plus tard. Comme l’a montré French, l’analyse des théories quantiques possède un intérêt fondamental pour comprendre la réalité, autrement dit élaborer une philosophie de la nature comme le firent en d’autres temps Aristote, Leibniz ou Schelling. Les questions quantiques n’ont jamais cessé de se refermer.

Dernières remarques sur une conjecture irrésolue, celle de la transition entre les structures quantiques sans « objets » et les objets classiques dotés de figures. Un problème redoutable, un problème d’ordre systémique mais pas dans une acception conventionnelle, celle du tout et des parties ; pour la bonne raison que dans le monde quantique, la « partie » pour ne pas dire les particules et la structure, ne se conçoit pas comme un composant. Cette conjecture se décline avec des angles de vue complémentaires permettant de créer des situations où les composants s’associent pour constituer une entité globale qui devient classique et donc objet ou système. Dans ce contexte, les distributions quantiques restent des énigmes. Les fermions et les bosons obéissent à des règles distinctes mais si on admet que les particules n’existent pas comme objets alors ces distributions ont une signification physique précise. Rien de commun avec l’entropie statistique de Boltzmann qui repose sur les complexions de composants individués auxquels on assigne un état physique, condition qui n’existe pas en mécanique quantique. Autant dire que la crise de l’objet se décline sur un plan supplémentaire, avec la participation de la thermodynamique. Et se résoudra en décalage avec la mécanique classique. Le monde quantique, des structures, des champs efficients mais pas forcément formalisables dans l’espace, des substances, des énergies, des formes, des secteurs, des espaces, des ondulations de la substance… tout devient possible, y compris des applications en biologie que French ne fait qu’effleurer dans le chapitre 12 où le structuralisme métaphysique est appliqué à des questions sur la réalité du vivant. La science est ouverte comme rarement elle l’a été. Cette seconde crise de l’objectivité va certainement aboutir à une nouvelle vision du monde et c’est pour cette raison que le livre de French est un maillon important dans le Procès qui conduira à la nouvelle science du 21ème siècle. Son essai est magistral par l’ampleur de vue sur les « structures et substances du monde » dévoilées par la physique quantique.