Trois limitations fondamentales de la science moderne et leurs problèmes communs

Introduction

Il y a communément une compréhension que la science moderne continuera à avancer indéfiniment et découvrira finalement une théorie complète et cohérente de l’univers. Cependant, si la science moderne a eu de grandes avancées, elle a aussi découvert ses limites. Comme d’autres l’ont aussi réalisé, quelques unes des grandes découvertes de la science moderne ne sont que la découverte de ses propres limitations.

Cet article présentera les limitations fondamentales dans trois domaines qui ont influencé le développement de la science moderne. Puis il montrera ce que ces limitations ont en commun et proposera une façon de les comprendre.

Limitation dans la Physique Moderne

Quand un morceau de matière est chauffé, il commence à rougeoyer, devient rouge incandescent, et à une température plus élevée devient finalement blanc. Pendant longtemps, les lois connues de la radiation et de la chaleur ont échoué à expliquer ce phénomène commun, Max Planck lutta pour fournir une interprétation physique du phénomène au niveau atomique. Finalement, après quelques travaux intenses en 1900, Planck conclut à contre cœur qu’un atome rayonnant ne peut émettre que de discrets quanta d’énergie. Il était contrarié par sa conclusion parce qu’elle allait contre les lois bien établies de la physique classique qui n’imposaient pas une constante fixe dans les niveaux d’énergie. Plus tard, la conclusion de Planck devint une fondation importante de la théorie quantique, et ce n'était que le début des conflits entre la théorie quantique et la théorie classique plus sensée de Newton.La mécanique classique est étroitement liée à notre expérience quotidienne du monde. Cependant, les atomes et les particules au dessous de l’atome semblent avoir des caractéristiques très différentes de notre expérience ordinaire du monde. A partir d’anomalies persistantes et d’informations expérimentales accumulées, qui contredisent les mécanismes classiques les physiciens furent forcés de faire des modifications radicales à partir de la physique classique de Newton, et s'aventurer sur une route longue et sinueuse menant à la mécanique quantique

Werner Heisenberg écrivait,

" Je me rappelle des discussions avec Bohr qui duraient plusieurs heures jusque tard dans la nuit et qui finissaient de façon presque désespérée ; et lorsque à la fin de la discussion je repartais seul dans un parc voisin, je me répétais encore et encore la question : "Est il possible que la nature soit aussi absurde qu’elle nous paraît dans ces expériences atomiques ?" (De la physique et la philosophie, p42). Cependant, en dépit des difficultés conceptuelles, la mécanique quantique est devenue une des formulations les plus brillantes de la science moderne. En principe, la mécanique quantique peut décrire la myriade de phénomènes physiques et les propriétés chimiques de la matière avec une incroyable précision. Et ces applications ont grandement influencé le développement de notre société technologique moderne. Michio Kaku, un professeur de physique théorique, écrivait :

"Les conséquences de la mécanique quantique sont partout autour de nous. Sans la mécanique quantique, une pléthore d"objets familiers, tels que la télévision, les lasers, les ordinateurs et la radio seraient impossibles. L"équation ondulatoire de Schrodinger, par exemple, explique beaucoup de faits auparavant connus mais bizarres, tel que la conductivité. Ce résultat a mené finalement a l"invention du transistor. L"électronique moderne et la technologie de l"ordinateur auraient été impossibles sans le transistor, qui est à son tour le résultat d"un pur phénomène de mécanique quantique. » ( dans Au delà d’Einstein, p40)

L’énorme succès de la mécanique quantique vient de sa formule qui décrit avec précision une myriade de phénomènes concernant des choses microscopiques. Et c’est aussi dans ce microcosme que la mécanique quantique a ses limitations fondamentales.

Un trait essentiel de la mécanique quantique est le principe d’incertitude de Heisenberg . En fait, selon ce principe, il est impossible de mesurer à la fois la position et le dynamisme d’une substance atomique ou d’un niveau inférieur à l’atome à n’importe quel moment donné. Si la position est mesurée de façon précise, le dynamisme ne peut être mesuré que de façon moins précise, et vice versa. Si la position est mesurée absolument précisément, alors le rythme devient complètement inconnu, et vice versa.

Bien que Werner Heisenberg ait présenté le principe d’incertitude en 1927, il est toujours d’actualité aujourd’hui. L’incapacité à mesurer précisément a la fois la position et le dynamisme de choses microscopiques n’est pas due à des limites de la technologie courante. Selon plusieurs physiciens, il s’agit d’une limitation inhérente, qu’aucune future avancée de la technologie ne pourra résoudre. Michio Kaku écrit:

« Le Principe d"Incertitude rend impossible la prévision du comportement précis de l"atome individuel, encore moins de l"univers. (dans Au delà d'Einstein, p44).

Et selon Brian Greene, qui est l’un des principaux théoriciens des cordes dans le monde, les avancées futures dans la théorie des cordes devront incorporer le principe d’incertitude afin qu’elle devienne une théorie complète qui compte pour des phénomènes quantiques observables. Brian Greene explique que le principe d’incertitude n’est pas juste une question d’interruption causée par des techniques de mesures :

" Même sans "les chocs directs " d"un photon perturbateur d"un expérimentateur, la rapidité de l'électron change vivement et de façon imprévisible d'un moment à l’autre...Même dans le cadre le plus calme que l’on puisse imaginer, comme une région vide de l’espace, le principe d'incertitude nous dit que de la position stratégique d' un point microscopique il y a une quantité énorme d' activité... Même dans une région vide de l' espace...le principe d'incertitude dit que l’énergie et le dynamisme sont incertains. » (dans l’Univers Clair, p119)

Werner Heisenberg croyait que le principe d’incertitude nait de la dualité entre la description des ondes et la description de la particule. Ce dualisme n’est pas seulement enchâssé dans le modèle ‘mathématique' de la mécanique quantique. La dualité peut aussi être déduite à partir de simples expériences. Les expériences semblent démontrer que les substances atomiques et subatomiques ont à la fois les caractéristiques d’une particule et d’une onde. Une particule occupe une petit superficie dans l’espace et peut entrer en collision avec d’autres particules, comme des objets solides. D’un autre coté, une onde s’étend dans l’espace et peut passer à travers d’autres ondes. Ces descriptions entre particule et onde semblent être des notions opposées et contradictoires. Comment quelque chose peut il être une particule et une onde en même temps ? Quand un simple électron est considéré comme étant soit une particule soit une onde et non pas les deux, alors cela peut mener a une explication incomplète du phénomène observé. D’un autre coté, lorsque les aspects de la particule et de l’onde sont combinés pour former une théorie complète du phénomène observé, alors cela peut mener a des contradictions. Selon Heisenberg, les tentatives de décrire les événements atomiques en terme de physique classique mènent à des contradictions du fait que ces choses microscopiques ne sont pas comme des objets ordinaires de notre expérience quotidienne

Dans la mécanique Newtonienne, chaque objet a une position et un dynamisme définis à tout moment donné, et l’objet ne suivra qu’une seule voie de mouvement selon les lois mathématiques. Autrement dit, le mouvement de la matière est pleinement déterministe, où il n’y a qu’une seule conséquence dans le futur. Quand la position et le mouvement d’un objet sont connus, alors son mouvement sera prédit avec des calculs mathématiques précis. La mécanique Newtonienne a été très brillante pour décrire et prédire les mouvements planétaires dans les cieux aussi bien que les mouvements sur terre . Cependant, elle a échoué a décrire les phénomènes des événements atomiques et subatomiques dans le microcosme.

En opposition à la physique classique de Newton, selon Heisenberg, les événements atomiques sont semblables au concept de potentialité dans la philosophie d’Aristote : "une étrange sorte de réalité physique juste au milieu entre possibilité et réalité." Dans la mécanique quantique, les événements atomiques et subatomiques sont décrits dans des probabilités et des tendances. La mécanique quantique a introduit le concept d’indétermination dans la fondation de la physique moderne. Ce fut un bond énorme à partir de la mécanique classique de Newton qui a dominé la physique pendant des siècles. Et ce fut aussi une séparation radicale de la théorie de la relativité. Einstein rejeta cette interprétation de la mécanique quantique sur ce point précis de l’indétermination, et dit que "Dieu ne joue pas aux dés".
Heisenberg écrit,

« ...le changement dans le concept de réalité qui se manifeste lui même dans la théorie quantique n’est pas seulement une continuation du passé ; il semble être une réelle cassure dans la structure de la science moderne. »(dans Physique et Philosophie, p 29)

Bien que la mécanique quantique ait été très brillante, nous devons nous rappeler que la mécanique quantique ne décrit et prédit que les phénomènes physiques observables ; elle ne décrit pas la réalité intérieure de la matière physique. En fait, à mesure que la mécanique quantique se développait, des interprétations différentes et conflictuelles de la mécanique quantique sont apparues, même parmi les physiciens éminents.

Une des premières interprétations de la mécanique quantique est l’interprétation de Copenhague, menée par un physicien Danois, Niels Bohr. Selon cette interprétation : "il n’y a pas de réalité profonde", et les atomes, les électrons et les photons n’existent pas en tant qu’objets dans notre expérience quotidienne. Selon cette interprétation, un phénomène n'existe pleinement que lorsqu’il est observé. Bohr a dit :" Il n’y a pas de monde quantique. Il y a seulement une description quantique abstraite."

D’un autre coté, Einstein était un "réaliste", et il pensait que la mécanique quantique est simplement incomplète et qu’il y a une réalité déterminée cachée derrière les phénomènes quantiques qui devrait être découverte dans le futur. Bien qu’Einstein faisait partie d’une très petite minorité de physiciens ayant ce point de vue, d’autres éminents physiciens qui avaient aussi apporté de grandes contributions au développement de la mécanique quantique étaient aussi réalistes. Max Planck, qui fut considéré comme le père de la théorie quantique, croyait en un monde objectif indépendant de l’observateur et catégoriquement opposé au point de vue non déterministe d’ Heisenberg, Niels Bohr, et Max Born sur le monde. Louis de Broglie, connu plutôt pour sa découverte de la nature ondulatoire des électrons, s’aligna sur l’interprétation statistique, mais après s’être débattu avec elle pendant quelques années, il choisit finalement une position réaliste. Erwin Schrodinger, qui développa la mécanique des ondes, fut aussi un réaliste, et consacra beaucoup de sa vie ultérieure à s’opposer aux interprétations statistiques de la théorie quantique qu’il avait tant fait pour créer. Schrodinger dit:

La physique part de l'expérience quotidienne, qu’elle prolonge par des moyens plus subtils. Elle y reste apparentée, ne la transcende pas génériquement ; elle ne peut entrer dans un autre règne. Les découvertes en physique ne peuvent pas en elles mêmes -du moins je le crois- avoir l'autorité de nous forcer à mettre fin à l’habitude de dépeindre le monde physique comme une réalité. "

Prés de dix ans après le décès d’Einstein, John Stewart Bell démontra que la position réaliste de la nature requiert que certaines forces soient capables de se déplacer plus vite que la vitesse de la lumière pour expliquer les phénomènes quantiques observables. Et comme cela contredit la fondation de la bien établie théorie de la relativité, beaucoup de physiciens rejettent la position réaliste.

En 1957, Hugh Everett introduisit l’interprétation de plusieurs-mondes, qui semble résoudre le problème de la mesure quantique. Dans l’interprétation de plusieurs mondes, des univers parallèles sont crées pour différents résultats possibles à partir de chaque acte de mesure. Par exemple, lorsque une pièce est lancée, bien que nous observions seulement un résultat, d’autres résultats possibles sont supposés avoir lieu dans des univers parallèles, qui sont créés instantanément. Cette interprétation est considérée comme absurde par de remarquables physiciens et philosophes.

Tout ceci représente seulement un petit échantillon des questions sur les tentatives de donner une interprétation complète de la mécanique quantique. Il y a beaucoup d’interprétations. Nick Herbert a comparé huit d’entre elles (y compris celles mentionnées plus haut) et écrivit:

« Un trait étonnant de ces huit réalités quantiques, pourtant, est qu'elles sont expérimentalement impossibles à distinguer. De toutes les expériences actuellement concevables, chacune de ces réalités prévoit exactement les mêmes phénomènes observables [...].Toutes sans exception sont ridicules. » (De la Réalité Quantique, p28)

Certains physiciens pensent que la théorie quantique est incompréhensible et qu’elle devrait être employée comme moyen de calculer et de prévoir les phénomènes physiques pour un usage pratique.

(à suivre)

Vous pouvez imprimer et faire circuler tous les articles publiés sur Clearharmony et leur contenu, mais veuillez ne pas omettre d'en citer la source.

Contacter les éditeurs : [email protected]