"Opinion sur la conscience - La mort, la physique et les vœux pieux : la peur de la mortalité pourrait être à l’origine du penchant des physiciens pour le principe anthropique, les multivers, le super- déterminisme et d’autres idées douteuses" par John Horgan

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Opinion sur la conscience - La mort, la physique et les vœux pieux : la peur de la mortalité pourrait être à l’origine du penchant des physiciens pour le principe anthropique, les multivers, le super-
déterminisme et d’autres idées douteuses

Ajout d’annexes sur le Principe anthropique et sur la Mécanique quantique

Traduction du 06 octobre 2021 par Jacques Hallard d’un article de John Horgan en date du 27/09/2021 publié par ‘scientificamerican.com’ – Titre : Death, Physics and Wishful Thinking – Référence : https://www.scientificamerican.com/article/death-physics-and-wishful-thinking/ - Image

Nos esprits bizarres contrecarrent les efforts des psychologues pour trouver des théories durables. Mais la théorie de la gestion de la terreur a plutôt bien résisté depuis que trois psychologues l’ont proposée, il y a plus de 30 ans. Selon cette théorie, la peur de la mort sous-tend nombre de nos actions et de nos convictions. Nous nous accrochons plus fermement à nos croyances lorsqu’on nous rappelle notre mortalité, surtout si ces croyances nous relient à quelque chose qui transcende notre petite personne mortelle.

La théorie de la gestion de la terreur peut expliquer des tendances politiques déroutantes, telles que notre attirance pour les conspirations farfelues et les dirigeants autoritaires. L’année dernière, j’ai invoqué cette théorie pour expliquer pourquoi la popularité de Donald Trump a grimpé en flèche au début de la pandémie de COVID-19. Récemment, j’ai commencé à me demander si la théorie de la gestion de la terreur pouvait également expliquer les tendances en physique.

Les physiciens s’enorgueillissent de leur rationalité, mais ils sont aussi enclins à la peur existentielle que le reste d’entre nous, si ce n’est plus. Leurs recherches les obligent à se confronter à l’infini et à l’éternité dans leur travail quotidien, et pas seulement au cœur de la nuit. De plus, les équations des physiciens décrivent des particules poussées et tirées par des forces impersonnelles. Il n’y a pas de place pour l’amour, l’amitié, la beauté, la justice - les choses qui font que la vie vaut la peine d’être vécue. Dans cette perspective glaciale, l’ensemble de l’existence humaine, sans parler d’une vie individuelle, peut sembler terriblement éphémère et inutile.

Steven Weinberg, sans doute le plus grand physicien du dernier demi-siècle, nous a exhortés à accepter les implications de la physique qui brisent l’âme, et il a rejeté les tentatives de la transformer en un substitut de la religion. Dans ‘Dreams of a Final Theory’, Weinberg a déclaré que la science ne peut pas remplacer ’les consolations que la religion nous a offertes face à la mort’. Weinberg, qui est décédé en juillet, était inhabituellement résistant aux vœux pieux (à l’exception de sa réflexion sur une théorie finale). D’autres physiciens, je le soupçonne, s’accrochent à certaines hypothèses précisément parce qu’elles rendent la mortalité plus supportable. En voici quelques exemples.

[D’après Wikipédia, « Steven Weinberg, né le 3 mai 1933 à New York et mort le 23 juillet 2021 à Austin, est un physicien américain. Il est le principal instigateur, avec Abdus Salam et Sheldon Glashow, de la théorie de l’interaction électrofaible, ce qui lui a valu de partager le prix Nobel de physique de 19791. En 2010, il occupe la chaire d’enseignement Josey-Welch en sciences du département de physique de l’université du Texas à Austin….- Article complet sur : https://fr.wikipedia.org/wiki/Steven_Weinberg_(physicien) ]

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Nous étions faits pour être là !

Il existe toute une catégorie de conjectures qui, à l’instar de la religion, nous confèrent une position privilégiée dans le schéma cosmique des choses. On les appelle les théories du ’nous étions faits pour être là’. Elles impliquent que nous ne sommes pas une partie accidentelle et fortuite de la nature ; notre existence est en quelque sorte nécessaire. Sans nous, l’univers pourrait ne pas exister. Le principe anthropique, qui remonte aux années 1960, en est un exemple. Le principe anthropique suggère que les lois de la nature doivent prendre la forme que nous observons, car sinon nous ne serions pas là pour les observer.

[Voir plus loin : Annexe sur le principe anthropique ]

Le principe anthropique est une tautologie déguisée en vérité, mais il s’est avéré remarquablement résistant. Stephen Hawking l’a pris au sérieux, tout comme Weinberg. L’une des principales raisons de la résistance du principe anthropique est la prolifération des théories des ‘multivers’, selon lesquelles notre univers n’est qu’un parmi d’autres. Si vous croyez aux multivers (sur lesquels je reviendrai plus loin), le principe anthropique peut aider à expliquer pourquoi nous nous trouvons dans cet univers particulier avec ces lois particulières.

[Selon Wikipédia, « Stephen William Hawking (prononcé [ˈstiːvənhttps://fr.wikipedia.org/wiki/API_%CB%88ˈhɔːkɪŋ] Écouter), né le 8 janvier 1942 à Oxford et mort le 14 mars 2018 à Cambridge, est un physicien théoricien et cosmologiste britannique. Ses livres et ses apparitions publiques ont fait de ce théoricien de renommée mondiale une célébrité. Depuis l’âge d’une vingtaine d’années, Hawking souffre d’une forme rare — de début précoce et d’évolution lente — de sclérose latérale amyotrophique (SLA) ; sa maladie progresse au fil des ans au point de le laisser presque complètement paralysé. Pourtant, il est professeur de mathématiques à l’université de Cambridge de 1980 à 20091, membre du Gonville and Caius College et chercheur distingué du Perimeter Institute for Theoretical Physics. Il est connu pour ses contributions dans les domaines de la cosmologie et la gravité quantique, en particulier dans le cadre des trous noirs. Son succès est également lié à ses ouvrages de vulgarisation scientifique dans lesquels il discute de ses théories et de la cosmologie en général, en particulier Une brève histoire du temps. La clé des principaux travaux scientifiques de Stephen Hawking est fondée, en collaboration avec Roger Penrose, sur l’élaboration des théorèmes sur les singularités dans le cadre de la relativité générale, et la prédiction théorique que les trous noirs devraient émettre ce qui est aujourd’hui connu sous le nom de rayonnement de Hawking… » - Article complet à lire sur : https://fr.wikipedia.org/wiki/Stephen_Hawking ].

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La mécanique quantique a inspiré de nombreuses propositions du type ’nous étions censés être ici’, car elle suggère que ce que nous observons dépend de la manière dont nous l’observons. Regardez un électron de telle façon, il se comporte comme une particule ; de telle autre façon, il ressemble à une onde. Des physiciens, notamment Eugene Wigner et John Wheeler, ont émis l’hypothèse que la conscience, loin d’être un simple épiphénomène de la matière, est une composante essentielle de la réalité. Votre conscience individuelle ne durera peut-être pas, mais la conscience d’un certain type durera aussi longtemps que l’univers. Je critique ces propositions ’nous étions censés être là’ ici et ici.

[Voir en annexe La mécanique quantique ]

Rien ne s’arrête jamais

Une source de consolation plus subtile est ce que Richard Feynman, dans The Character of Physical Law, appelle ’les grands principes de conservation’.

[Selon Wikipédia, « Richard Phillips Feynman (1918-1988) est un physicien américain, l’un des plus influents de la seconde moitié du XXe siècle, en raison notamment de ses travaux sur l’électrodynamique quantique, les quarks et l’hélium superfluide. Il reformula entièrement la mécanique quantique à l’aide de son intégrale de chemin, qui généralise le principe de moindre action de la mécanique classique et inventa les diagrammes qui portent son nom et qui sont désormais largement utilisés en théorie quantique des champs (dont l’électrodynamique quantique fait partie).

Pendant la Seconde Guerre mondiale, il fut impliqué dans le développement de la bombe atomique américaine. Après la Seconde Guerre mondiale, il enseigna à l’université Cornell puis au Caltech où il effectua des travaux fondamentaux notamment dans la théorie de la superfluidité et des quarks. Sin-Itiro Tomonaga, Julian Schwinger et lui sont colauréats du prix Nobel de physique de 1965 pour leurs travaux en électrodynamique quantique1. Vers la fin de sa vie, son action au sein de la commission d’enquête sur l’accident de la navette spatiale Challenger l’a fait connaître du grand public américain.

Pédagogue remarquable et drôle, il est le rédacteur de nombreux ouvrages de vulgarisation reconnus. Parmi ces livres, les Feynman lectures on physics, un cours de physique de niveau universitaire qui, depuis sa parution, est devenu un classique pour tous les étudiants de premier cycle en physique et leurs professeurs. Il raconte aussi ses nombreuses aventures dans plusieurs ouvrages : Surely You’re Joking, Mr. Feynman ! (paru en français sous le titre Vous voulez rire, monsieur Feynman !) et What Do You Care What Other People Think ?. Ce tome est lié au soutien moral que sa première épouse Arline lui donnait, l’encourageant par ce biais dans sa poursuite intellectuelle en tant que libre-penseur… - Lire l’article complet sur ce site : https://fr.wikipedia.org/wiki/Richard_Feynman ].

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Selon ces lois [’les grands principes de conservation’], certaines caractéristiques de la nature restent constantes, quels que soient les changements qu’elle subit. La loi de conservation la plus connue concerne l’énergie. L’énergie peut prendre de nombreuses formes - cinétique, potentielle, électrique, thermique, gravitationnelle, nucléaire - et elle peut passer d’une forme à une autre. La matière peut se transformer en énergie, et vice versa, comme l’a révélé Einstein avec sa célèbre équation E = mc2. Mais si vous additionnez tous les types d’énergie à un instant donné, cette somme reste constante.

D’autres lois de conservation s’appliquent au moment angulaire et à la charge. En quoi ces lois sont-elles consolantes ? Parce qu’être humain, c’est connaître la perte. Lorsque nous regardons le monde - et notre propre visage dans le miroir - nous constatons la terrible fugacité des choses. Ce que nous aimons disparaîtra tôt ou tard. Il est rassurant de savoir que, à un certain niveau, les choses restent les mêmes. Selon les lois de conservation, il n’y a pas de fin ou de début, seulement des transformations.

La loi de conservation la plus réconfortante concerne l’information.

Le physicien Leonard Susskind affirme que la conservation de l’information ’sous-tend tout, y compris la physique classique, la thermodynamique, la mécanique quantique, la conservation de l’énergie, ce que les physiciens ont cru pendant des centaines d’années’. Selon cette loi, tout ce qui arrive laisse son empreinte, de façon permanente, sur l’univers. Des éternités après votre mort, après la disparition de la terre et du soleil, chaque détail de votre vie perdurera sous une forme ou une autre, soi-disant.

[D’après Wikipédia, « Leonard Susskind, né le 1er janvier 1940 1 à New York, est un physicien américain qui occupe la chaire Felix Bloch de physique théorique à l’université Stanford, et qui est directeur du Stanford Institute for Theoretical Physics. Ses domaines de recherche incluent la théorie des cordes, la théorie quantique des champs, la mécanique quantique statistique et la cosmologie quantique. Il est membre de la NationalAcademy of Sciences, de l’American Academy of Arts and Sciences, est membre associé de la Perimeter Institute for Theoretical Physics de la Faculté du Canada et professeur distingué de la Korea Institute for Advanced Study. Susskind est considéré comme l’un des pères de la théorie des cordes, ayant, avec Yoichiro Nambu et Holger Bech Nielsen, indépendamment présenté l’idée que les particules pouvaient être la manifestation des différents états d’excitation d’une corde relativiste2. Il est le premier à avoir introduit l’idée de « paysage » dans la théorie des cordes, en 20033. En 1998, il a reçu le Prix Sakurai… - Lire l’article complet sur ce site : https://fr.wikipedia.org/wiki/Leonard_Susskind ].

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Revenons aux théories des multivers, qui stipulent que notre univers n’est qu’un parmi d’autres. Les physiciens ont proposé différentes théories des multivers inspirées de la mécanique quantique, de la théorie des cordes et de l’inflation, une théorie spéculative de la création cosmique. Ces théories ont toutes en commun l’absence de preuves - ou même l’espoir de preuves. Comment expliquer leur popularité ?

Voici ma réponse : les physiciens sont effrayés par la mortalité de notre petit univers. Ce qui est né doit mourir, et selon la théorie du ‘big bang’, notre cosmos est né il y a 14 milliards d’années, et il mourra à un moment indéterminé dans un avenir lointain. Le multivers, comme Dieu, est éternel. Il n’a pas eu de début et n’aura pas de fin. Si vous trouvez cette proposition rassurante, vous ne devriez peut-être pas lire cette critique des théories du multivers.

Le bon côté du déterminisme

Le déterminisme, de type physique, suppose que la réalité est strictement physique. Tout ce qui arrive, y compris nos choix, résulte de forces physiques, comme la gravité qui pousse et tire les objets physiques. En outre, chaque moment présent est associé à un passé unique et à un avenir unique. Je n’aime pas le déterminisme, car il porte atteinte au libre arbitre et nous incite à accepter que les choses sont comme elles doivent être.

Mais je peux voir le côté positif du déterminisme. Le monde semble souvent incontrôlable de manière inquiétante. Nous avons le sentiment qu’à tout moment, de mauvaises choses peuvent se produire, à petite ou grande échelle. Un camion peut vous heurter alors que vous traversez la rue en ruminant distraitement la mécanique quantique. Une supernova toute proche pourrait baigner la terre dans des radiations mortelles. Des millions de mes concitoyens pourraient être fascinés par un bouffon voyou. Un virus mutant pourrait soudainement émerger d’on ne sait où et tuer des millions de personnes.

Nous voulons désespérément croire que, sous l’apparent hasard, quelqu’un ou quelque chose est aux commandes. Pour beaucoup de gens, Dieu est le directeur général, dur mais juste, qui dirige cette société cosmique apparemment chaotique. Il nous est difficile de voir son plan, mais il sait certainement ce qu’il fait.

[Introduction à la notion de superdéterminisme - Dans le contexte de la mécanique quantique, le superdéterminisme est un terme employé pour décrire une hypothétique classe de théories qui échappent au théorème de Bell du fait qu’elles sont complètement déterministes. Le théorème de Bell dépend de l’hypothèse du libre arbitre, ce qui ne convient pas à des théories déterministes. Il est concevable, mais sans doute peu probable, que quelqu’un pourrait exploiter cette faille pour construire une théorie à variables cachées locales qui reproduise les prédictions de la mécanique quantique. Les tenants du superdéterminisme ne reconnaissent pas l’existence de véritable hasard ou de probabilités où que ce soit dans le cosmos.

Concept de superdéterminisme

Le théorème de Bell suppose que les types de mesures effectuées au niveau de chaque détecteur peuvent être choisis indépendamment les uns des autres et de la variable cachée mesurée. Pour que l’argument de l’inégalité de Bell se poursuive, il est nécessaire d’être capable de parler véritablement de ce que le résultat de l’expérience aurait été si des choix différents avaient été faits. Cette hypothèse est appelé netteté contre-factuelle (en). Mais dans une théorie déterministe, les mesures que les expérimentateurs choisissent à chaque détecteur sont prédéterminées par les lois de la physique. On peut donc faire valoir qu’il est erroné de parler de ce qui se serait passé si différentes mesures avaient été choisies : aucun autre choix de mesure n’était physiquement possible. Puisque les mesures choisies peuvent être déterminées à l’avance, les résultats à un détecteur peuvent être affectés par le type de mesure effectué à un autre sans que l’information ait besoin de voyager plus vite que la vitesse de la lumière.

Dans les années 1980, John Stewart Bell a discuté du superdéterminisme dans un entretien à la BBC1,2. « Il y a une façon d’échapper à l’inférence des vitesses supraluminiques et à l’action fantôme à distance. Mais elle implique un déterminisme absolu dans l’univers, l’absence complète de libre arbitre. Si nous supposons que le monde est superdéterministe et pas seulement que la nature inanimée actionne des mécanismes derrière-la-scène, mais avec notre comportement, y compris notre conviction que nous sommes libres de choisir de faire une expérience plutôt qu’une autre, absolument prédéterminée, y compris la « décision » par l’expérimentateur de mener à bien une série de mesures plutôt qu’une autre, alors la difficulté disparaît. Il est inutile pour un signal lumineux plus rapide de dire à la particule A quelle mesure a été effectuée sur la particule B, parce que l’univers, y compris la particule A, « sait » déjà ce que cette mesure - et son résultat - seront. »

Bien qu’il ait reconnu cette lacune, il a également fait valoir qu’elle était invraisemblable. Même si les mesures effectuées sont choisies par des générateurs déterministes de nombres aléatoires, les choix peuvent être considérés comme « effectivement libres pour l’objet dont il est question » parce que le choix de la machine est modifié par un grand nombre de très petits effets. Il est peu probable que la variable cachée soit sensible à toutes les mêmes petites influences que l’est le générateur de nombre aléatoire3.

Le superdéterminisme a également été critiqué en raison de ses implications relatives à la validité de la science elle-même. Anton Zeilinger par exemple a écrit : « Nous supposons toujours implicitement la liberté de l’expérimentateur... Cette hypothèse fondamentale est essentielle pour faire de la science. Si cela devait n’être pas vrai, alors je suggère que cela n’aurait aucun sens de poser des questions à la nature dans une expérience puisque alors, la nature pourrait déterminer ce que sont nos questions et cela pourrait guider nos questions de telle façon que nous arrivions à une fausse image de nature4… » - Source de l’article : https://fr.wikipedia.org/wiki/Superd%C3%A9terminisme ].

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Si vous trouvez l’hypothèse de Dieu peu plausible, une forme extrême de déterminisme, appelée superdéterminisme, pourrait peut-être la remplacer. Le superdéterminisme tente d’éliminer plusieurs caractéristiques déroutantes de la mécanique quantique, notamment le caractère apparemment aléatoire des événements quantiques et le rôle intrusif des mesures. Deux physiciens que j’admire, Sabine Hossenfelder et Gerard ’t Hooft, ont promu cette théorie.

[Ecoute suggérée en anglais : « What’s wrong with physics ? | Sabine Hossenfelder - 10 juin 2021 - The Institute of Art and Ideas

Sabine Hossenfelder lays out her plan to regain physics’ reputation. Watch the full talk at https://iai.tv/video/what-is-wrong-wi... After 40 years of stagnation, the truth is now undeniable : physics is failing. Acclaimed physicist Sabine Hossenfelder lays out her plan to regain the once great reputation of physics. #SabineHossenfelder #quantummechanics #scientificmethod Sabine Hossenfelder is an author and theoretical physicist who researches quantum gravity. She is a Research Fellow at the Frankfurt Institute for Advanced Studies where she leads the Superfluid Dark Matter group. Visit IAI.tv for our full library of debates, talks, articles and podcasts from international thought leaders and world-class academics. The Institute of Art and Ideas features videos and articles from cutting edge thinkers discussing the ideas that are shaping the world, from metaphysics to string theory, technology to democracy, aesthetics to genetics. For debates and talks : https://iai.tv For articles : https://iai.tv/articles For courses : https://iai.tv/iai-academy/courses

Traduction par Jacques Hallard - Sabine Hossenfelder expose son plan pour redorer le blason de la physique. Regardez l’intégralité de la conférence sur https://iai.tv/video/what-is-wrong-wi ... Après 40 ans de stagnation, la vérité est désormais indéniable : la physique est en échec. La physicienne de renom Sabine Hossenfelder expose son plan pour redorer la réputation de la physique. Sabine Hossenfelder #SabineHossenfelder #mécanique quantique #méthode scientifique Sabine Hossenfelder est un auteur et une physicienne théorique qui effectue des recherches sur la gravité quantique. Elle est chargée de recherche à l’Institut d’études avancées de Francfort, où elle dirige le groupe sur la matière noire superfluide. Visitez IAI.tv pour accéder à notre bibliothèque complète de débats, d’exposés, d’articles et de podcasts de leaders d’opinion internationaux et d’universitaires de renommée mondiale. L’Institute of Art and Ideas présente des vidéos et des articles de penseurs de pointe discutant des idées qui façonnent le monde, de la métaphysique à la théorie des cordes, de la technologie à la démocratie, de l’esthétique à la génétique… - Source : https://www.youtube.com/watch?v=8aUk6oi_AmM ].

Autre écoute suggérée en anglais « What is Quantum Mechanics, really ? | Interview with Dr. Gerard‘t Hooft - 8 mars 2021 - Academic Influence

Nobel Prize-winning physicist, Gerard’t Hooft reveals how he became a theoretical physicist, following in the footsteps of his Uncle and Great-Uncle, who were both successful physicists. He discusses his different, more rigid definition of quantum mechanics that compares to what computer scientists are doing today. Follow along as theoretical physicist from Utrecht University, Dr. Gerard’t Hooft, talks with Dr. Jed Macosko, academic director of AcademicInfluence.com and professor of physics at Wake Forest University. See Dr. Hooft’s profile at https://academicinfluence.com/people/... See additional leaders in physicists at https://academicinfluence.com/article...

Traduction par Jacques Hallard - Qu’est-ce que la mécanique quantique, vraiment ? | Entretien avec le Dr Gerard ’t Hooft - 8 mars 2021 -

Le physicien Gerard ’t Hooft, lauréat du prix Nobel, révèle comment il est devenu physicien théoricien, en suivant les traces de son oncle et de son grand-oncle, qui étaient tous deux des physiciens de renom. Il évoque sa définition différente, plus rigide, de la mécanique quantique, qui se compare à ce que font les informaticiens aujourd’hui. Suivez le Dr Gerard ’t Hooft, physicien théoricien de l’université d’Utrecht, qui s’entretient avec le Dr Jed Macosko, directeur académique d’AcademicInfluence.com et professeur de physique à l’université de Wake Forest. Voir le profil du Dr Hooft sur https://academicinfluence.com/people/ ...

Voir d’autres leaders parmi les physiciens sur https://academicinfluence.com/article... - Source : https://www.youtube.com/watch?v=_P8F_CWRFvw ].

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Selon le superdéterminisme, l’univers n’est pas en train de se précipiter dans un avenir inconnu. Il glisse sereinement, invariablement, le long d’une voie rigide tracée au début des temps. En tant que fanatique du libre arbitre, je ne trouve pas cette perspective réconfortante, mais je comprends pourquoi d’autres le font. Si le déterminisme est vrai, il n’y a rien que vous puissiez faire pour changer les choses, alors restez assis et profitez du voyage. Tout est comme il devrait être - ou doit être.

Le seul principe de physique qu’il est difficile de rendre positif est la deuxième loi de la thermodynamique. Elle décrète que toute l’énergie créatrice de l’univers finira par se dissiper, se transformant en chaleur inutile. Les structures merveilleuses et complexes que nous voyons autour de nous – les étoiles, planètes, cathédrales, chênes, libellules, êtres humains - disparaîtront. L’univers sombrera dans la mort thermique, un état dans lequel rien ne se produit jamais. Des physiciens astucieux ont imaginé des moyens d’échapper à ce triste sort, mais leurs propositions ne semblent pas beaucoup plus plausibles que l’hypothèse du paradis.

Je ne trouve aucune hypothèse de physique très consolante. J’aimerais que ce soit le cas. J’ai beaucoup ruminé la mort ces derniers temps en raison de mon âge avancé et de l’état précaire du monde. J’ai mes consolations. Je suis écrivain et père, alors je fantasme sur les gens qui liront mes livres après ma mort, et j’imagine mon fils et ma fille vivre une vie agréable et épanouie, et peut-être avoir des enfants à leur tour. Pour réaliser ces souhaits, il faut que la civilisation se poursuive. Je me persuade donc que la civilisation, malgré ses défauts manifestes, est plutôt bonne et s’améliore. C’est ainsi que je gère ma terreur.

Lecture complémentaire :

Je me penche sur les implications philosophiques et spirituelles de la science dans mes deux derniers livres : « Pay Attention : Sex, Death, and Science et Mind-Body Problems : Science, Subjectivity and Who We Really Are ».

Il s’agit d’un article d’opinion et d’analyse ; les opinions exprimées par l’auteur ou les auteurs ne sont pas nécessairement celles de ‘Scientific American’.

Rights & Permissions - Droits et autorisations

John Horgan directs the Center for Science Writings at the Stevens Institute of Technology. His books include The End of Science, The End of War and Mind-Body Problems, available for free at mindbodyproblems.com. For many years, he wrote the immensely popular blog Cross Check for Scientific American.

À propos de l’auteur Photo

John Horgan dirige le ‘Center for Science Writings’ au ‘Stevens Institute of Technology’. Il a notamment publié ‘The End of Science’, ‘The End of War’ et ‘Mind-Body Problems’, disponible gratuitement sur mindbodyproblems.com . Pendant de nombreuses années, il a rédigé le très populaire blog ‘Cross Check’ pour ‘Scientific American.

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Annexe sur le principe anthropique

Selon Wikipédia, Le est un principe épistémologique selon lequel les observations de l’Univers doivent être compatibles avec la présence d’un observateur étant une entité biologique douée de conscience. Cette contrainte pourrait permettre d’orienter l’heuristique de la recherche scientifique fondamentale.

Ce principe, proposé par l’astrophysicien Brandon Carter en 19741, existe en deux versions principales. Le principe anthropique faible dit que ce que nous pouvons nous attendre à observer doit être compatible avec les conditions nécessaires à notre présence en tant qu’observateurs, sinon nous ne serions pas là pour l’observer. Le principe anthropique fort postule que les paramètres fondamentaux dont l’Univers dépend sont réglés pour que celui-ci permette la naissance et le développement d’observateurs en son sein à un certain stade de son développement. En d’autres termes les observations de l’Univers seraient contingentes dans la version « faible » alors qu’elles seraient au contraire nécessaires dans la version « forte ».

La première variété ressemble à une simple tautologie, la seconde à une prise de position métaphysique. Cependant l’une comme l’autre relèvent d’observations de physique et en particulier en cosmologie, où il semble que les lois de la physique comportent un grand nombre d’ajustements fins sans lesquels l’Univers n’aurait pas eu une stabilité suffisante pour que la vie puisse avoir le temps d’y apparaître, ou les étoiles n’auraient pu s’allumer, ou former d’éléments lourds (niveaux énergétiques permettant à l’hélium de fusionner en fer)…

Source de l’article complet : https://fr.wikipedia.org/wiki/Principe_anthropique

Le principe anthropique - Vidéo de 56 minutes - 11 mars 2013 - Ideas in Science – Par Suzy Collin-Zahn - Publié en ligne le 14 août 2014 - Épistémologie – Document diffusé par ‘Afis Science - Association française pour l’information scientifique. Le ciel entre Science et Religions - Le principe anthropique – Référence : https://www.youtube.com/watch?app=desktop&v=ye9hhknWJJc -

Le principe anthropique

Le « principe anthropique » énoncé en 1973 a suscité de nombreuses controverses et il est actuellement plus discuté que jamais, en particulier parce qu’il a été l’objet de nombreuses interprétations plus ou moins spiritualistes. Le but de cet article est de démystifier cette question considérée comme sulfureuse et dont de nombreux scientifiques pensent qu’elle doit rester du domaine de la métaphysique, de montrer qu’il n’est pas inutile de la poser et qu’on peut lui trouver des réponses rationnelles.

Ces nombres bizarres qui caractérisent l’Univers

Qu’est-ce que ce « principe anthropique » ? D’emblée, il faut préciser que ce n’est pas réellement un « principe » mais simplement une constatation de faits, et qu’il n’est pas non plus réellement « anthropique », car il ne s’agit pas de l’homme à proprement parler mais plutôt de la Vie sous toutes ses formes. Nous en verrons la définition plus loin.

Le terme a été inventé en 1973 par un jeune physicien de Cambridge (Angleterre), Brandon Carter, qui a ensuite vécu en France et a travaillé toute sa vie à l’Observatoire de Paris-Meudon. Il l’avait proposé au cours d’un colloque en Pologne célébrant le 500e anniversaire de la naissance de Copernic, dans le but de faire réfléchir à la validité de ce que l’on a appelé « le principe copernicien », à tort car Copernic lui-même ne l’aurait sans doute jamais exprimé ainsi. Le principe de Copernic signifie maintenant que nous ne sommes pas au centre de l’Univers mais dans une position tout à fait quelconque, l’Univers lui-même étant en moyenne identique en tout lieu (bien sûr, on sait que la matière est rassemblée en étoiles, en galaxies et en amas de galaxies, mais on sait également que l’on peut parler d’homogénéité à plus grande échelle).

Dessin humoristique

Depuis des décennies, les physiciens de Cambridge avaient l’habitude de se poser des questions sur les paramètres de l’Univers. Après Arthur Eddington, le physicien Paul Dirac, qui a prédit l’existence du positron 1 et est à la source de la découverte de l’antimatière, s’interrogeait dans les années 1930 sur d’étranges coïncidences qu’il trouvait entre les valeurs de différentes constantes physiques, et il les interprétait en émettant l’hypothèse qu’elles variaient au cours du temps 2. Peu de scientifiques y attachèrent de l’importance, et la plupart accusèrent Dirac de faire de la numérologie (ils allèrent jusqu’à dire que son remariage l’avait rendu un peu fou !).

L’âge de l’Univers

Mais le ver était dans le fruit. La réponse à Dirac fut donnée en 1961 par le physicien Robert Dicke 3. Il souligna que ces coïncidences déterminaient l’âge de l’Univers, mais que celui-ci « n’est pas une valeur aléatoire parmi une large gamme de valeurs possibles, elle est limitée par les critères rendant possible l’existence de physiciens ». Cette phrase, que l’on prend souvent pour une galéjade, a pourtant un sens profond.

Dans les années 1950, un groupe de quatre astrophysiciens (dont trois de Cambridge !) se posaient la question de l’origine des différents éléments constituant l’Univers et montraient qu’ils devaient être synthétisés au cœur des étoiles par des réactions nucléaires : par exemple un noyau de carbone se forme lorsqu’un noyau de béryllium rencontre un noyau d’hélium. Parmi eux, un scientifique remarquable aux idées souvent frondeuses : Fred Hoyle (ses romans de science-fiction étaient très prisés parmi les chercheurs de cette époque). Hoyle remarqua qu’il fallait pour cela qu’il existe un niveau du noyau de carbone situé à une énergie très précise, sinon la formation du carbone aurait pris un temps bien supérieur à la durée de vie de l’Univers 4. Hoyle demanda à son ami Willy Fowler, expérimentateur en physique nucléaire, de rechercher ce niveau et Fowler le découvrit presque immédiatement (notons que Fowler a eu le prix Nobel, et Hoyle non 5). À propos de cette « prédiction », Hoyle écrivit en 1957 cette phrase : « la position de ce niveau signifie que des créatures vivantes comme nous ne peuvent exister que dans une portion de l’univers où cette résonance existe ». Encore une idée bizarre !

Mais ce n’était pas tout. Cela signifiait que la Vie, qui nécessite la présence de carbone ou d’éléments plus lourds capables de fabriquer des molécules complexes, ne pouvait se développer avant que ces éléments aient été synthétisés dans les étoiles. Or, pour ceux qui, comme Dicke, croyaient au Big Bang (à cette époque, on n’avait pas encore découvert le rayonnement fossile qui en donna une preuve des plus solides), l’Univers avait un âge fini et les étoiles n’avaient pas existé de tout temps. La présence de la Vie exigeait donc que l’âge de l’Univers soit supérieur à des centaines de millions, voire des milliards d’années, le temps pour les étoiles de se former et d’arriver à fabriquer ces éléments, car ceux-ci sont synthétisés dans des étoiles relativement peu massives comme le Soleil, qui évoluent lentement. Par exemple le Soleil, qui s’est formé neuf milliards d’années après le Big Bang, commencera à fabriquer du carbone et de l’oxygène dans environ quatre milliards d’années. Il deviendra alors une immense étoile rouge dont le rayon s’étendra presque jusqu’à la Terre, avant de se transformer en une minuscule naine blanche, et il projettera dans l’espace des vents puissants contenant ce carbone et cet oxygène, qui seront alors disponibles pour fabriquer les indispensables molécules. C’est exactement ce qu’exprimait l’aphorisme de Robert Dicke. Celui-ci allait même plus loin en prédisant que dans quelques milliards d’années, la plupart des étoiles seraient « mortes » par manque de combustible nucléaire et que la Vie disparaîtrait alors de l’Univers. Il en déduisait donc que l’âge de l’Univers ne pouvait avoir d’autre valeur que comprise entre dix et vingt milliards d’années, car sinon nous ne serions pas là pour en débattre ! Nous savons maintenant que l’Univers est âgé de 13,8 milliards d’années.

Principe anthropique et Big Bang

En 1973 donc, Brandon Carter invitait les astronomes à méditer sur ces idées, en énonçant deux formes de ce qu’il appela le Principe Anthropique :

- Le principe faible (WAP pour Weak Anthropic Principle) : « Les conditions que nous observons autour de nous sont nécessaires à notre existence. » Il fut qualifié aussitôt de « tautologie ». Ce n’est pourtant pas le cas, comme nous allons le voir.

- Le principe fort (SAP pour Strong Anthropic Principle) : « Les paramètres fondamentaux caractéristiques de l’Univers doivent être tels qu’ils ont permis l’émergence d’observateurs à une certaine étape de son évolution ». Cette formulation a été mal comprise, à cause du terme « doivent » (« must » en anglais) et a été interprétée comme « l’Univers a été conçu dans le but de générer des observateurs », ce qui n’était pas du tout l’idée de Carter 6.

On vit immédiatement de nombreux colloques pseudo-scientifiques fleurir sur le sujet. Des livres furent publiés, dont le plus approfondi, en 1986, fut celui de Barrow et Tipler, The Anthropic Cosmological Principle. Ils y définissaient en particulier un nouveau principe, le FAP, pour « Final Anthropic Principle » : « À partir du moment où l’intelligence a émergé, elle subsistera indéfiniment ». Ce principe, ainsi que les autres d’ailleurs, fut donc violemment moqué, et un scientifique alla jusqu’à proposer le concept de « CRAP », pour « Completely Ridiculous Anthropic Principle » (il faut savoir que « crap » est un mot très inconvenant en anglais !).

Dessin humoristique

La théorie des « supercordes » cherche à unifier la gravité avec les autres interactions.

Par ailleurs, une découverte des années 1970 allait révolutionner en même temps la cosmologie et la physique des particules : on s’aperçut que ces deux domaines, c’est-à-dire celui de l’infiniment grand et celui de l’infiniment petit, étaient fondamentalement liés. Car c’est dans le brasier effroyablement chaud et dense de l’Univers primordial, lorsque sa température était de centaines de milliards de degrés, que s’élaborèrent les premières particules et même que se manifestèrent les forces de la nature. Et c’est pendant les trois premières minutes après le Big Bang que se fabriquèrent les noyaux d’hydrogène, d’hélium et de béryllium, qui allaient, des milliards d’années plus tard, se souder dans les cœurs des étoiles pour donner le carbone et l’oxygène. Certains se posèrent alors la question : mais que se serait-il passé si les particules et les forces avaient été différentes de ce qu’elles sont ? Les étoiles auraient-elles synthétisé du carbone et de l’oxygène ? Auraient-elles vécu suffisamment longtemps pour permettre aux planètes comme la Terre d’engendrer la Vie ?

Les forces et les constantes qui régissent l’Univers

On connaît (pour le moment !) quatre forces – ou « interactions » – de la nature. La seule que nous ressentons est la force gravitationnelle, qui nous paraît la plus grande puisque c’est elle qui nous maintient à la surface de la Terre. Paradoxalement, cette force est de loin la plus faible, de très loin même puisque la force électromagnétique, par exemple, est 10 à la puissance 39 fois plus grande ! Et c’est justement parce que la force gravitationnelle est aussi faible que les étoiles peuvent rayonner pendant suffisamment longtemps pour permettre à la Vie de naître sur les planètes (voir encadré).

Les quatre interactions

Outre la force gravitationnelle, il existe trois autres interactions.

Illustration - Simulation de la désintégration d’un boson de Higgs (détecteur CMS du LHC au CERN)

La force électromagnétique qui s’exerce sur les particules chargées électriquement, qu’on connaissait déjà au début du vingtième siècle. Elle gouverne notre vie quotidienne, nos appareils électriques, nos téléphones, etc… Elle se fait sentir à l’échelle des atomes. C’est en fait déjà l’unification de deux interactions, l’électrique et la magnétique.

La deuxième est la force nucléaire faible responsable d’une partie de la radioactivité. On l’a découverte dans les années 1930, et elle agit sur des distances minuscules, inférieures à la taille des noyaux des atomes, eux-mêmes mille fois plus petits que les atomes eux-mêmes. La force faible, contrairement aux autres, est donc une force de dissension et non de cohésion.

Dans les années 1970, on a compris l’origine d’une troisième force que l’on connaissait depuis longtemps, mais dont le statut a alors changé : l’interaction forte ou nucléaire qui maintient les particules comme les quarks à l’intérieur d’un noyau, à l’aide de particules « colle » qu’on appelle les « gluons ».

Ces trois forces sont bien plus importantes que la gravité dans le monde subatomique. En effet, la force électromagnétique décroît avec la distance de la même façon que l’attraction gravitationnelle, mais son intensité est considérablement plus grande. Si elle ne joue aucun rôle dans les astres, c’est parce qu’ils sont électriquement neutres, tandis qu’elle s’exerce seulement entre des corps chargés. Quant aux deux autres interactions, elles sont également beaucoup plus fortes que la gravité mais elles ont une très petite portée.

La gravité l’emporte donc sur les autres forces seulement pour les grandes masses. Si elle était 100 fois plus forte, par exemple, les planètes seraient de simples astéroïdes, seules des mini-étoiles se formeraient, et elles vivraient 100 fois moins longtemps. Clairement, la Vie ne pourrait se développer.

On a pu montrer (en particulier Weinberg cité dans le texte), et cela a été vérifié avec une précision spectaculaire dans les grands accélérateurs, que la force électromagnétisme et l’interaction faible sont « unifiées » à haute énergie dans l’interaction « électrofaible ». On en déduit qu’elles se sont séparées environ un dix milliardième de seconde après le Big Bang. On pense que l’interaction forte a également été unifiée avec l’interaction électrofaible encore plus tôt dans l’Univers primordial, et le Graal des physiciens est actuellement de trouver le moyen d’unifier ces trois interactions avec la gravité, à travers la théorie des cordes.

On peut raisonner de la même façon pour les autres interactions. Si la force nucléaire forte était plus grande de 2 %, l’hydrogène disparaîtrait en quelques minutes, il n’y aurait pas d’éléments plus légers que le fer. Si elle était plus petite, aucun élément plus lourd que l’hydrogène et l’hélium ne se formerait. Dans les deux cas, aucune molécule ne pourrait se former. Si la force électromagnétique était un peu plus grande, les électrons repousseraient les autres atomes. Si elle était plus petite de quelques pourcents, ils ne seraient pas maintenus dans leur atome. Encore une fois, dans les deux cas, il n’y aurait pas de molécule.

Du côté des constantes de la physique, c’est le même constat. Il en existe une vingtaine, dont la valeur est déterminée expérimentalement avec une très grande précision, comme la vitesse de la lumière, la constante de la gravitation, la masse de l’électron, etc., mais dont nous ignorons pourquoi elles ont ces valeurs. Si elles avaient différé de leur valeur par des quantités minimes, l’Univers aurait subi une autre évolution et il n’y aurait pas eu de vie non plus. Par exemple, la formation du deutérium dépend crucialement de la différence des masses des neutrons et des protons, or le deutérium est indispensable à la formation de l’hélium, lui-même indispensable à la formation du carbone.

De tout cela est née l’idée que l’Univers a été réglé d’une façon « incroyablement précise » dans le but de permettre l’émergence de la Vie. Cette version biaisée du Principe Anthropique Fort a été utilisée pour asseoir ce que l’on a appelé « le Grand Dessein » ou « le Dessein Intelligent », prônant qu’une intelligence supérieure (un Grand Architecte) a créé l’Univers dans le but d’y accueillir les hommes. L’idée a été popularisée par des livres comme La mélodie secrète de l’astrophysicien Thuan, qui a eu un grand succès public. Mais contrairement à ce que certains scientifiques affirment – malhonnêtement à mon avis – très peu de spécialistes de cosmologie y adhèrent. Elle a cependant fait florès aux États-Unis dans les milieux religieux où elle a été utilisée pour justifier « scientifiquement » le créationnisme. En France, où la croyance au créationnisme est heureusement moins développée qu’aux États-Unis, le Grand Dessein commence cependant à faire des émules, grâce en particulier à l’Université Interdisciplinaire de Paris 7 qui comprend quelques chercheurs de renom et qui est financée en partie par la fondation nord-américaine Templeton. Celle-ci distribue des prix somptueux aux scientifiques qui tentent de faire le lien entre la science et la foi par le biais du Grand Dessein.

Mais est-il raisonnable de supposer qu’une seule constante pourrait être différente, les autres constantes restant égales par ailleurs ? Pour répondre à cette question, des physiciens essayent de coupler les constantes au moyen de théories « non standard » de la physique, et montrent que les contraintes sont alors moins fortes. Certains vont même jusqu’à affirmer qu’un Univers auquel manquerait l’une des interactions (la « faible ») pourrait néanmoins produire la Vie. Et dans un cas précis où il a été possible de « faire varier » deux constantes, on constate que l’intervalle anthropique est beaucoup plus vaste (voir encadré sur la constante cosmologique).

On peut donc conclure que, certes, les valeurs des constantes sont contraintes, mais pas d’une façon « incroyablement précise ».

La constante cosmologique

Cette constante, qui peut être nulle, est prévue dans la solution des équations de la Relativité Générale. Einstein lui-même en avait tenu compte dans son premier modèle d’Univers, et il avait supposé pour des raisons purement philosophiques qu’elle avait une valeur telle que l’Univers était statique et non en expansion. Il a considéré que c’était la « plus grande erreur de sa vie » ! On l’a donc abandonnée pendant des décennies avant de découvrir récemment qu’elle existe, mais pas du tout pour les mêmes raisons que celles d’Einstein.

Son existence a en effet été découverte en 1998 grâce à l’observation d’étoiles très lointaines (des supernovae), et elle a été confirmée depuis par d’autres observations. Elle agit comme une force répulsive contrebalançant la gravité et produisant une accélération de l’expansion de l’Univers : on l’appelle en général « énergie sombre », et l’on en ignore encore la nature. Pourquoi sa valeur est-elle très faible, sans être nulle ? Si elle avait été un peu plus grande, l’Univers aurait été soufflé en quelques minutes ou en quelques années. Le physicien américain et prix Nobel Steven Weinberg avait d’ailleurs estimé il y a plus de trente ans que la constante cosmologique devait avoir une valeur très petite car si elle était plus grande, l’Univers n’aurait pas pu produire d’étoiles ou de galaxies. Il déduisait une valeur très proche de celle que l’on a observée quinze ans plus tard ! On peut donc considérer que c’était une véritable « prédiction anthropique ».

Illustration - Weinberg avait utilisé pour faire sa démonstration le fait que l’on observe des fluctuations dans le fond diffus cosmologique micro-onde (ce fameux rayonnement fossile qui nous parvient des débuts de l’Univers). Ce fond diffus présente des fluctuations minuscules, de l’ordre du cent millième du fond lui-même1. Or ce sont ces fluctuations, amplifiées par la gravité, qui ont donné par la suite naissance aux étoiles et aux galaxies. Si l’on suppose que non seulement la constante cosmologique mais également la valeur moyenne de ces fluctuations étaient toutes deux différentes de ce qu’elles sont, on trouve qu’il existe tout un ensemble de valeurs permettant l’éclosion de la Vie (voir la figure).

Schéma - Relation entre l’intensité des fluctuations du rayonnement diffus cosmologique Q et la constante cosmologique . On constate que l’espace « anthropiquement permis » est beaucoup plus vaste que si l’on considérait seulement une variation de la constante cosmologique (Tegmark et Rees).

1 Sur les images publiées du fond diffus, comme celle obtenue récemment par le satellite Planck, ces fluctuations en fausses couleurs sont considérablement intensifiées pour apparaître clairement.

Un Grand Architecte n’est pas nécessaire !

Dessin humoristique

Quelles explications les scientifiques proposent-ils au principe anthropique ?

La plus répandue est qu’il s’agit d’un simple hasard, de même qu’un jet de deux dés produirait un double six, sur 36 possibilités, si tant est que l’homme puisse se considérer comme un double six... Ou bien que la Vie pourrait prendre des formes beaucoup plus variées qu’on ne l’imagine.

Une autre est que l’on pourra un jour expliquer la valeur des forces et des constantes à l’aide d’une théorie unique, la « Théorie du Tout ». Mais outre qu’elle semble encore bien éloignée, elle ne me paraît pas résoudre le problème, qu’elle repousse seulement davantage à un niveau plus profond.

Une troisième interprétation est celle du « multivers ». Elle est très à la mode parmi les cosmologistes travaillant sur la théorie des « supercordes », celle qui cherche à unifier la gravité avec les autres interactions. En effet, toute tentative pour comprendre l’origine de l’Univers bute dans le passé sur le moment où il avait une densité si énorme que la gravité elle-même était un phénomène quantique. La théorie des supercordes prédit qu’il devrait exister non pas UN Univers, mais un très grand nombre, chacun correspondant à un Big Bang différent, avec ses propres constantes. La plupart de ces univers n’auraient pas les bonnes constantes mais un certain nombre serait « vivable », et le nôtre en ferait partie, un peu comme si, pour poursuivre l’illustration, 36 paires de dés avaient été jetées, chacune avec un résultat différent : le double 6 est là, au milieu des autres, et nous « habitons » le double 6. Cette idée se situe dans la continuité d’une progression historique : au seizième siècle, le géocentrisme est abandonné, au dix-neuvième siècle le Soleil devient une étoile parmi des centaines de milliards d’autres, au vingtième siècle, la Voie Lactée devient une galaxie parmi des centaines de milliards d’autres, alors pourquoi notre Univers ne serait-il pas l’un parmi des milliards d’autres ?

Dessin humoristique

Une variante de l’idée de multivers est fondée sur la théorie concurrente, la « gravité quantique à boucle », qui prédit, elle, un univers ayant rebondi après sa contraction au lieu d’une multiplicité d’univers. Cette théorie pourrait correspondre en fait à un univers cyclique dont les caractéristiques varieraient à chaque cycle (avec la même illustration, cela signifie qu’à chaque cycle, les dés sont relancés, et que parfois un double 6 sort). Nous serions dans un « bon » cycle.

Dans les deux cas, on donne une réponse au principe anthropique faible, qui n’est clairement pas une simple tautologie, et conduit même à remettre en cause le principe copernicien. Le problème est qu’aucune de ces deux théories n’est encore aboutie à l’heure actuelle et n’a débouché sur une prédiction observable. Pourtant, il n’est pas exclu que la présence d’autres univers ou d’un rebond ayant précédé le Big Bang puisse se traduire par des observations sur le fond diffus cosmologique.

Une dernière interprétation qui commence à monter en puissance est celle de « l’émergence ». Elle remet en cause le raisonnement scientifique habituel, fondé sur le réductionnisme. L’émergence se caractérise par l’apparition de lois qui ne peuvent être déduites de principes physiques plus fondamentaux. Comme on a l’habitude de le dire : « l’ensemble fait plus que la somme de ses parties ». Les lois émergeraient lorsqu’un niveau de complexité est franchi, sans pouvoir être prédites à partir du niveau précédent. Ainsi, les lois qui gouvernent la biologie ne sont pas réductibles à la chimie moléculaire, ni la chimie moléculaire à la physique. Mais où s’arrêter ? Certains pensent par exemple qu’une force aussi fondamentale que la gravitation serait elle aussi émergente. Allant encore plus loin, d’autres (et non des moindres), proposent de se poser la question d’un évolutionnisme en cosmologie comparable au néodarwinisme en biologie. Ces idées n’en sont cependant qu’à leurs balbutiements, et ne sont pour le moment étayées par aucune théorie sérieuse.

Des erreurs fécondes 8

Évidemment, tout cela donne l’impression d’une énorme cacophonie. Et l’on a beau jeu de crier haro sur la science qui se permet de dire n’importe quoi et son contraire, oubliant que c’est précisément parce qu’elle se cherche qu’elle emprunte de nombreux chemins. Et que c’est une preuve de vitalité que de discuter et de chercher la faille dans la théorie du voisin. Que se serait-il passé si à l’aube du vingtième siècle les physiciens avaient déposé les armes devant les apparentes inconsistances qui se présentaient à leurs yeux ? Aucune de ces deux grandes révolutions de la pensée qu’ont été la Mécanique Quantique et la Relativité Générale n’auraient eu lieu.

Et, aux tristes Cassandre qui nous prédisent que l’homme ne pourra jamais comprendre l’Univers, que les cosmologistes se trompent depuis cinquante ans et que le Principe Anthropique est une ineptie, ne peut-on répondre qu’il mérite pourtant l’attention (au moins sous sa forme dite « faible ») parce qu’il a montré sa vitalité en stimulant de nombreuses recherches, et qu’il pourra peut-être permettre de discriminer entre différents modèles cosmologiques. Gardons à l’esprit ces paroles du grand scientifique britannique Lord Kelvin à la fin du dix-neuvième siècle : «  La Science est tenue de faire face sans frayeur à chaque problème qui se présentera sur sa route. »

1 Le positron est l’anti-particule de l’électron. Il lui est identique, mais possède une charge électrique positive au lieu d’être négative.

2 On a appelé cela « l’hypothèse des grands nombres de Dirac ». Dirac montrait par exemple que le rapport entre la taille de l’Univers observable et celle d’une particule quantique est égal à 10 à la puissance 39, et qu’il est égal au rapport entre la force électromagnétique et la force gravitationnelle exercée par un proton sur un électron.

3 Celui-là même qui, ayant construit quelques années plus tard un appareil pour détecter le rayonnement fossile du ciel prédit dans le cadre du Big Bang, rata de peu sa découverte : elle valut le prix Nobel aux deux ingénieurs qui le découvrirent par hasard.

4 De même que les atomes ont des niveaux d’énergie quantifiés qui sont à l’origine des raies spectrales, les noyaux ont des niveaux d’énergie également quantifiés. Dans le cas présent, c’est parce qu’un niveau du noyau de carbone a une énergie exactement égale à la somme de l’énergie du béryllium et de l’hélium que la réaction a lieu : c’est ce que l’on nomme une « résonance ».

5 Fowler n’a évidemment pas eu le Nobel pour cette seule découverte expérimentale mais pour l’ensemble de son œuvre en astrophysique nucléaire. En 1957, avec Hoyle et Margaret et Geoffrey Burbidge, il avait écrit un article fondateur en la matière mais il est le seul à avoir reçu le Nobel bien que Hoyle l’eût également mérité et l’eût sans doute obtenu s’il n’avait pas – de même que les Burbidge – professé ses idées sur l’univers stationnaire et s’il n’avait pas eu des altercations avec le comité Nobel...

6 Carter croyait à la théorie des « mondes multiples » fondée sur la mécanique quantique, proposée par le physicien Hugh Everett en 1957.

7 http://www.pseudo-sciences.org/spip...

8 Voir « Des erreurs fécondes », Georges Jobert – SPS n° 302, octobre 2012.)

Publié dans le n° 307 de la revue - L’ auteure : Suzy Collin-Zahn Astrophysicienne et directeur de recherche honoraire à l’Observatoire de Paris-Meudon.

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Source : https://www.afis.org/Le-principe-anthropique

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Annexe sur la mécanique quantique

La mécanique quantique - Publié le 15 mai 2019 – Publié par ‘cea.fr/comprendre’

​Qu’est-ce que la mécanique quantique ? Pourquoi est-elle utilisée ? A quoi sert-elle ? Où la retrouve-t-on dans notre quotidien ? Petite introduction au monde quantique.

Qu’est-ce que la mécanique quantique ?

A l’aube du XXe siècle, la naissance de la physique quantique révolutionne notre conception du monde : les physiciens réalisent que la physique classique, qui décrit parfaitement notre environnement quotidien macroscopique, devient inopérante à l’échelle microscopique des atomes et des particules. En effet, les atomes et les particules élémentaires de la matière, n’évoluent pas comme un système classique, où les quantités d’énergie échangées peuvent prendre n’importe quelle valeur. Pour un système quantique, l’énergie s’échange par valeurs discrètes ou « quanta ».

Par ailleurs, la physique classique décrit différemment un corpuscule (atome, particule) et une onde (lumière, électricité) tandis que la mécanique quantique confond les deux descriptions : un photon, un électron, un atome ou même une molécule sont à la fois onde et corpuscule.

Si, en physique classique, l’état d’un système est parfaitement défini par la position et la vitesse de l’ensemble de ses composants– il ne peut être alors que dans un seul état à un moment et à un endroit donné, il n’en va pas de même en physique quantique. Un système quantique, tel qu’une simple onde-corpuscule, peut se trouver dans une superposition cohérente d’états, qui traduit la potentialité de tous ses états possibles. Sa présence à un endroit donné, son énergie deviennent alors probabilistes : ainsi, un atome peut être à la fois dans son état fondamental stable et dans un état excité (c’est-à-dire possédant une énergie supérieure, acquise par exemple par l’absorption d’un photon). Un photon peut être à un endroit et à un autre en même temps. On ne peut être certain qu’il est en un seul lieu que si l’on effectue une mesure. Le processus de mesure impose alors à l’onde-corpuscule un état défini.

De ces découvertes, qui forment la première révolution quantique, découlent un certain nombre d’applications encore utilisées aujourd’hui  : les lasers, les circuits intégrés ou encore les transistors, à la base du fonctionnement des appareils électroniques notamment.

La physique quantique, késako ? SD Voir dans la médiathèque 

Le chat de Schrödinger

Le physicien Schrödinger a utilisé une image devenue célèbre pour mettre en avant le côté paradoxal d’objets dont on ne peut pas connaître l’état à tout moment. Il a imaginé un chat « quantique », enfermé dans une boîte sans fenêtre en présence d’un poison déclenché par un processus quantique. Tant que la boîte n’est pas ouverte, on ne sait pas si le processus quantique a déclenché le mécanisme, le chat est à la fois mort et vivant avec des probabilités dépendant du processus. Bien sûr, quand on ouvre la boîte le chat est soit mort, soit vivant. En regardant à l’intérieur, on fait une mesure qui nous permet de connaître l’état quantique du système.

le chat de Schrödinger SD Voir dans la médiathèque 

À quoi sert la mécanique quantique aujourd’hui ?

Quelques effets sont emblématiques de la mécanique quantique :

• L’effet laser est obtenu dans un système où les électrons sont majoritairement dans un même état excité et se désexcitent tous ensemble en émettant cette lumière intense. Cette transition des électrons d’un niveau d’énergie à un autre est un processus quantique.
• La supraconductivité est la disparition de toute résistance électrique dans un conducteur. Elle apparaît lorsque les électrons, portant une même charge électrique, peuvent s’apparier et se condenser dans un unique état quantique.
• L’effet tunnel permet à des électrons de franchir une « barrière » de potentiel ce qui est strictement interdit en physique classique.
• Le spin est une propriété quantique sans équivalent classique, à l’origine des propriétés magnétiques de la matière.
  Des physiciens cherchent à exploiter la richesse des états quantiques et à maîtriser leur mesure dans la perspective encore lointaine d’un ordinateur quantique.

La mécanique quantique prédit des comportements inhabituel, dont l’effet tunnel est un bon exemple

La mécanique quantique prédit des comportements inhabituels, dont l’effet tunnel est un bon exemple. © Yuvanoé/CEA

Depuis le début des années 1980, la physique quantique a pris un nouveau tournant : c’est la deuxième révolution quantique, qui se poursuit encore aujourd’hui. En 1982, le physicien Alain Aspect et son équipe parviennent à démontrer la réalité du principe d’intrication quantique, concept fondamental de la physique quantique. Par ce phénomène, proposé dans le courant des années 1930 par Erwin Schrödinger et Albert Einstein, les particules constituant un système sont liées, et le restent quelle que soit la distance qui les sépare. Ainsi, pour une paire de photons, une mesure faite sur l’un modifiera instantanément l’état du second, même s’ils sont séparés d’une longue distance (le record de distance pour l’observation de l’intrication de deux photons a été atteint en 2020 dans le domaine de la cryptographie quantique : des physiciens chinois ont pu échanger un message secret sur 1 120 km). Cette propriété pourrait avoir des applications importantes dans le domaine de l’information quantique : cryptographie, téléportation de l’information ou encore l’ordinateur quantique.

Et le champ d’application de la physique quantique va bien au-delà : le formalisme de la mécanique quantique est utilisé par les chercheurs en nanosciences (chimie, optique, électronique, magnétisme, physique de l’état condensé) et par les physiciens des lois fondamentales de l’Univers (particules, noyau atomique, cosmologie).

Et demain, la mécanique quantique ?

Les théories décrivant trois des quatre interactions fondamentales de l’Univers sont développées dans le cadre de la mécanique quantique :

• l’interaction forte qui lie les composants du noyau entre eux,
• l’interaction faible à l’origine de certaines formes de radioactivité,
• l’électromagnétisme qui régit les phénomènes lumineux, électriques et magnétiques.
  La quatrième interaction, la gravitation, est expliquée par la relativité. Jusqu’à présent, dans les domaines d’énergie et d’espace que l’homme a pu explorer, il n’a pas été nécessaire de « quantifier » la gravitation.
  De nombreux physiciens cherchent cependant à unifier ces deux théories pour embrasser les lois de l’Univers de manière plus simple et complète.

Mécanique quantique et relativité

En mécanique quantique, temps et espace sont différenciés. Dans la théorie de la relativité, le temps et l’espace forment une seule entité : l’espace-temps, et matière et énergie sont liées. La mécanique quantique relativiste et la notion de champ sont à la base de la ’théorie des champs’ qui permet de comprendre les phénomènes de physique des hautes énergies au sein des accélérateurs de particules, ou encore les phénomènes de physique de la matière condensée : supraconductivité, effet Hall quantique, ou la superfluidité.

Voir aussi :

• L’essentiel sur... l’ordinateur quantique
• Clefs n°66 - Révolutions quantiques - juin 2018
  Autres fiches ’l’essentiel sur...’ 15 documents dont :

La cryptographie et la communication quantiques

La démarche scientifique

La chimie verte

Equation de Schrödinger en mécanique quantique. © D.Sarraute/CEA

Photo - Appareil de mesure du rendement quantique de cellules solaires. © P.Avavian/CEA

Emettre la lumière grain à grain : échange quantique d’énergie SD Voir dans la médiathèque 

Trois exemples d’application

Les diodes électroluminescentes (DEL)

La physique quantique permet de comprendre comment les diodes électroluminescentes (DEL ou LED en anglais) émettent de la lumière et pourquoi chaque DEL possède une couleur spécifique. L’animation ci-dessous illustre l’utilisation des DEL dans le quotidien et leur fonctionnement physique.

Le microscope à effet tunnel

L’effet tunnel est utilisé dans le microscope du même nom. Dans un tel microscope, une pointe métallique est placée très proche d’une surface conductrice avec une différence de potentiel de quelques volts. Bien que sans contact électrique direct entre pointe et surface, un courant tunnel s’établit. Lors d’un balayage de la surface par la pointe à courant constant, l’enregistrement de la distance pointe-surface donne une image de la surface à la résolution atomique.

Les orbitales atomiques

Les électrons entourent les noyaux des atomes. La mécanique quantique décrit le nuage électronique sous la forme d’orbitales dont la forme reflète la probabilité de présence de chaque électron dans l’espace. Cette description sous forme d’orbitales permet de décrire et comprendre la façon dont les atomes se rassemblent pour constituer molécules ou solides.

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Mots clés : Chat de Schrödinger | diode électroluminescente | effet tunnel | mécanique quantique

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Traduction, [compléments] et intégration de liens hypertextes par Jacques HALLARD, Ingénieur CNAM, consultant indépendant – 11/10/2021

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