et penser dans l'espace - Hal-SHS

in : Lachièze-Rey, Marc (éd.), L'espace physique, entre mathématiques
et philosophie, Collection « Penser avec les sciences », EDP-Sciences,
Paris, 2006, p. 41-79. L'espace physique vu du monde quantique : une approche épistémologique MICHEL PATYX RÉSUMÉ.- LA PENSÉE PHYSIQUE - ET, JUSQU'À UN CERTAIN POINT, LA PENSÉE
MATHÉMATIQUE, DU MOINS GÉOMÉTRIQUE - S'EST TOUJOURS APPUYÉE SUR LA
NOTION D'ESPACE, COMME PAR EXEMPLE LE CONCEPT DE DIMENSION SPATIALE QUI
A DONNÉ L'IDÉE DE GRANDEUR PHYSIQUE MATHÉMATISÉE. JUSQU'À LA THÉORIE DE
LA RELATIVITÉ GÉNÉRALE, CELLE-CI COMPRISE, LES CONCEPTIONS DES SYSTÈMES
PHYSIQUES ET DES PHÉNOMÈNES DONT ILS SONT LE SIÈGE OU L'ORIGINE ONT ÉTÉ
TRIBUTAIRES D'UNE PENSÉE DE L'ESPACE, ET CES PHÉNOMÈNES ET CES SYSTÈMES
SONT, EN GÉNÉRAL, PENSÉS DANS L'ESPACE, MÊME S'ILS ONT CONTRIBUÉ À
MODIFIER LA PENSÉE DE L'ESPACE ET S'ILS ONT OBLIGÉ À REFORMULER NOTRE
«INTUITION SPATIALE». LA PHYSIQUE QUANTIQUE A REMIS EN QUESTION CETTE
CERTITUDE TRANQUILLE EN METTANT LA PENSÉE DE L'ESPACE ET DANS L'ESPACE
DEVANT LE DILEMME SUIVANT : OU BIEN GARDER LE CONCEPT D'ESPACE PHYSIQUE
DANS LE SENS PRÉCÉDENT QUI NOUS SEMBLE NATUREL ET RENONCER À L'IDÉE QUE
LES «SYSTÈMES QUANTIQUES» POURRAIENT ÊTRE REPRÉSENTÉS DIRECTEMENT DANS
CET ESPACE COMME DES SYSTÈMES DOTÉS DE PROPRIÉTÉS QUI LEUR SOIENT
PROPRES ; OU BIEN ADMETTRE QUE CELA A UN SENS DE PARLER DE SYSTÈMES
QUANTIQUES AYANT DES PROPRIÉTÉS ET ENLEVER À L'ESPACE SON RÔLE PREMIER
DANS LA REPRÉSENTATION DE CES SYSTÈMES. En prenant ce second point de vue, on est amené à penser la physique
autrement que «dans l'espace» au sens habituel ; et cependant, on a
toujours, à un moment ou à un autre, à envisager les systèmes physiques
quantiques en référence à cet espace, qui est celui des corps
macroscopiques et du cosmos dans son état actuel. Se demander comment
une telle pensée est possible amène donc en même temps à s'interroger
sur le rapport entre le monde quantique et l'espace physique de notre
expérience. Cette interrogation passe par un inventaire des
modifications du concept d'espace requises par la description physique
des systèmes quantiques. On concluera en évoquant l'idée d'une
émergence du concept d'espace à partir des phénomènes quantiques, tant
du point de vue épistémologique (émergence d'un certain niveau de
réalité à partir de niveaux sous-jacents) que du point de vue
cosmogénétique (formation et expansion de l'espace physique des objets
macroscopiques).
Abstract.- Physical space as seen from the quantum world. An
epistemological approach. Physical thought - and, up to a certain point, mathematical thought, at
least geometrical one has always leaned upon the notion of space, as
for example, the concept of spacial dimension that has given rise to
the idea of mathematically expressed physical magnitude. Up to the
general relativity theory, and including it, the conceptions about
physical systems and their generated phenomena have been dependent on a
thinking of space, and these phenomena and systems are, in general,
thought in space, even if they have contributed to modify the ideas
about space and if they have obliged to reformulate our «spacial
intuition». Quantum physics has challenged this quiet assurance by
putting the thinking of space and in space in front of the following
dilemma : either to keep the concept of physical space in the preceding
sense, that seems natural to us, and to give up the idea that «quantum
systems» could be represented directly in this space as systems endowed
with properties of their own ; either to admit that it is meaningful to
speak of quantum systems having properties, and take away the primacy
of space in the representation of these systems. By taking this second point of view, one is led to think physics
differently than «in space» in the usual sense, and nevertheless one
will always have, at some time or another, to consider quantum physical
systems by referring them to this space, that is the one of macroscopic
bodies and of the cosmos in its present stage. To wonder how such a
thought is possible brings forth therefore, at the same time, to
question the relationship between the quantum world and the physical
space of our experience. For such a wondering it is needed to inventory
the modifications of the concept of space that are required by the
physical description of quantum systems. We shall conclude by evoking
the idea of an emergence of the concept of space from quantum
phenomena, from the epistemological point of view (emergence of a
certain level of reality from underlying levels) on the one hand, as
well as from the cosmogenetic point of view (formation and expansion of
the physical space of macroscopic objects) on the other hand. Table 1. Introduction.
2. Penser l'espace et penser dans l'espace
3. Caractérisation d'un "monde quantique"
4. La physique quantique et le concept "classique" d'espace.
5. Le "pré-espace" physique quantique et l'espace physique classique. 1.
Introduction. Il me faut, en premier lieu, expliciter un tant soit peu ou
définir sommairement ce que j'entends par chacune des deux expressions
figurant dans le titre de cet exposé : "L'espace physique vu du monde
quantique", quitte à y revenir ensuite avec plus de détail.
Prenons, d'abord, la première expression, qui est la plus
familière, l'espace physique. J'entends, par espace physique, l'espace
de notre expérience du comportement des objets macroscopiques (y
compris notre propre corps), qui est aussi l'espace de la physique
macroscopique, et qui peut être décrit soit comme espace des sensations
et de la perception, soit comme espace géométrique (topologique et
métrique), reconstruit intellectuellement à partir du précédent, et
indépendant du sujet de la connaissance. C'est sur cet espace de la
géométrie que la physique classique puis relativiste a fondé ses
élaborations, le prenant pour cadre ou siège des phénomènes physiques,
et on le considère généralement, en conséquence, comme étant l'espace
physique : nous reviendrons sur ses divers caractères, acquis au cours
de ces élaborations.
Considérons maintenant la seconde expression. Parler d'un monde
quantique (ou d'un domaine quantique : celui des phénomènes ou des
objets quantiques), cela veut dire accorder aux éléments d'un tel monde
qu'ils possèdent une consistance propre, ce qui peut aussi se dire
autrement : qu'ils possèdent des propriétés physiques, ou encore qu'ils
sont réels. C'est cela qui est nié généralement, notamment par la
position qui correspond à l'interprétation philosophique de la
mécanique quantique connue comme celle de l'Ecole de Copenhague : selon
cette vue, les propriétés des systèmes quantiques sont inéluctablement
tributaires des moyens de leur approche par les appareils classiques de
mesure, eux-mêmes fondés sur les concepts et les théories de la
physique classique[1].
Admettre que l'on puisse légitimement parler d'un monde (de
propriétés) quantiques, cela suppose qu'il soit possible de se placer
d'un point de vue proprement quantique, par abstraction du sujet
perceptif et des moyens et dispositifs qui lui fournissent les éléments
de perception sensible à partir desquels il établit une connaissance
intellectuelle de ce domaine ou de ce monde. Cela suppose que l'on
puisse considérer une description théorique de ce domaine qui soit à la
fois physique et auto-consistante, c'est-à-dire que, d'une part, elle
se rapporte (exprimée, bien entendu, au moyen de représentations
symboliques) aux phénomènes concernés du monde physique (le monde réel,
tel qu'on l'appelle communément) ; et que, d'autre part, l'on n'ait pas
besoin de recourir pour elle à un référent externe tel que celui de
l'observation ou de la perception, qui sont anthropocentriques. Il faut
donc supposer que l'on dispose d'une théorie propre ou intrinsèque du
domaine quantique, et sortir, évidemment, du «cercle» de
l'interprétation observationaliste ou « complémentariste », en adoptant
par principe une perspective réaliste sur le monde physique et sur la
théorie physique comme connaissance effective de ce domaine de la
nature. Nous reviendrons également sur cette question préliminaire et
fondamentale.
Le problème que je voudrais tenter d'éclairer du point de vue
épistémologique est celui du rapport entre ces deux notions, en les
supposant fondées : espace physique, monde quantique. En particulier,
nous savons que les phénomènes et les systèmes quantiques impliquent
une critique de l'espace tel que la physique classique et relativiste
le considère, par exemple, l'espace lié au temps de la théorie de la
relativité (restreinte ou générale). Dans cette théorie, les systèmes
physiques sont toujours considérés comme sous-tendus par la notion de
points matériels individuels localisés dans cet espace-temps, liés
entre eux par une relation de causalité spatio-temporelle : en
relativité restreinte, deux points physiquement, c'est-à-dire
causalement, reliés ou susceptibles de l'être, appartiennent à une même
région de «type temps» du cône de lumière, telle que c2t2 - r2 ? 0).
Les systèmes « classiques » (dans ce sens, c'est-à-dire non quantiques)
étendus sont tels que leurs structure ponctuelle élémentaire est toute
entière située dans cette région de type temps (par exemple le front
d'une onde sonore, le front d'une onde lumineuse[2], ou un bâton
rigide).
La critique de l'espace physique par la physique quantique est
portée par les