Le kantisme devant la mécanique quantique

Une remarque de forme pour commencer : compte tenu de la quasi-homophonie des mots kantisme, quanta, quantique…, il serait préférable de prononcer, à l’occasion d’une conférence ou autre, les expressions dérivées de quantum, à l’allemande, c’est-à-dire par exemple qwantique. Ainsi, le titre « Le kantisme devant la mécanique quantique » éviterait une redondance.

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Le Prix Nobel de physique Werner Heisenberg est l’auteur d’un livre particulièrement intéressant au point de vue philosophique, La partie et le tout : Le monde de la physique atomique (Der Teil und das Ganze: Gespräche im Umkreis der Atomphysik) (1969), livre autobiographique qui revient sur les débats et discussions de Heisenberg avec les personnalités de la physique de son temps relativement aux problèmes de philosophie des sciences, notamment autour de ses propres travaux et ceux de ses collègues en mécanique quantique.

Tout comme la relativité, dont nous avons déjà parlé (ici), et qui occupe également une bonne place dans le livre de Heisenberg, la mécanique quantique, consacrée à l’étude des particules élémentaires, présente des résultats qui paraissent remettre en cause de manière radicale les postulats de la connaissance humaine admis jusqu’alors. Les conclusions qu’il faudrait nécessairement tirer de ces résultats, ainsi que des méthodes mêmes développées par cette mécanique, nous forceraient par la même occasion d’abandonner les notions les mieux établies de l’épistémologie, dont la philosophie transcendantale kantienne.

Dans le livre de Heisenberg, c’est – à tout seigneur tout honneur – un chapitre entier qui est consacré à discuter l’épistémologie kantienne, à savoir le chapitre X intitulé « Mécanique quantique et philosophie de Kant (1930-1932) » (Quantenmechanik und Kantsche Philosophie [1930–1932]). Ce chapitre est essentiellement le compte rendu d’une discussion ayant eu lieu entre, d’un côté, la philosophe Grete Hermann et, de l’autre, Heisenberg et son collègue Carl Friedrich von Weizsäcker. Il faut rendre hommage à Heisenberg pour avoir reproduit les idées de Grete Hermann avec une remarquable clarté quant au point de vue kantien. La philosophe fut, semble-t-il, retournée par les arguments de Heisenberg et Weizsäcker, puisque son oeuvre « Les fondements philosophiques de la méchanique quantique » (ma traduction de Die naturphilosophischen Grundlagen der Quantenmechanik), de 1935, traduit le point de vue épistémologique selon lequel la mécanique quantique nous contraint à réviser radicalement notre point de vue sur différentes catégories épistémologiques fondamentales.

C’est ce dont je ne suis absolument pas convaincu, et le présent essai tente d’expliquer pourquoi.

Avant d’examiner un certain nombre d’arguments échangés par les trois protagonistes de ce chapitre X, je voudrais revenir sur quelques autres citations du livre, car elles éclairent le sujet ainsi que quelques-unes de mes précédentes contributions à la connaissance de la philosophie kantienne. (Les numéros de page correspondent à l’édition française de 1972 dans la collection Les savants & le monde des éditions Albin Michel.)

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« Aujourd’hui, nous savons bien que cette notion de ‘simultanéité’ contient un élément subjectif, en ce sens que deux événements qui doivent être nécessairement considérés comme simultanés par un observateur au repos ne sont pas forcément simultanés pour un observateur en mouvement. Et cependant, la description relativiste est objective en ce sens que chaque observateur peut déterminer par un calcul ce que l’autre observateur a perçu ou percevra. Il n’en reste pas moins que l’on s’est éloigné de l’idéal d’une description objective dans le sens de la vieille physique classique. » (Niels Bohr, p. 126)

Cette citation confirme pour l’essentiel mon point de vue dans l’essai « Le kantisme devant la théorie de la relativité » (à son xiii La simultanéité de la relativité), dont la lecture peut être utile à la compréhension du présent essai, à savoir que l’abandon de la notion de simultanéité absolue est cantonné au domaine d’une science métrologique particulière, la physique, qui renonce par là-même à une part de son schématisme en exigeant désormais pour ses mesures des calculs tenant compte de la vitesse de la lumière.

La conclusion de Bohr est cependant ambiguë. Pour commencer, Bohr prétend qu’un certain idéal de description objective lié à l’ancienne physique disparaît, alors même qu’il précise, à l’encontre vraisemblablement de certaines interprétations fautives de cette relativité de la simultanéité, que « la description relativiste est objective ». En réalité, rien ne lui permet d’établir une telle frontière entre « deux » conditions d’objectivité à partir de ce qui n’est qu’un raffinement métrologique et technique. Cette frontière est d’autant moins légitime qu’un tel raffinement n’a, c’est connu, aucun effet pour tout un domaine de la description physique, celui qui concerne les vitesses dites « faibles par rapport à la vitesse de la lumière ».

En outre, si, d’un côté, on voit bien que ce qui est abandonné est une partie de la « vieille physique classique », c’est-à-dire un élément du schématisme antérieur de cette science, d’un autre côté, il semblerait – et les discussions de Heisenberg tournent souvent autour de cette idée – que cette réforme interne à une discipline scientifique porte en elle des révisions beaucoup plus profondes de la théorie philosophique de la connaissance. Bohr considère ainsi « comme une révolution intellectuelle le fait que l’évolution de la physique au cours des dernières décennies nous ait appris combien problématiques sont les notions d’‘objectif’ et ‘subjectif’ » (125). Mais cette révolution intellectuelle, si l’on peut recourir à de tels termes, n’a eu lieu qu’au sein de la physique elle-même. Ce qui était problématique, c’étaient les notions d’objectif et de subjectif en physique, car, pour ce qui est de ces mêmes notions en théorie de la connaissance, la prise en compte de la vitesse de la lumière pour une mesure de la simultanéité n’a rien relativisé fondamentalement ; nous continuons d’employer ces notions en philosophie sans nous arrêter aux considérations liées à la vitesse de la lumière, pour la simple et bonne raison qu’en philosophie nous ne cherchons pas à mesurer des simultanéités d’événements ou des écarts entre eux.

Or, même du point de vue intrinsèque à la physique, l’interprétation laisse à désirer car, si la remarque est fondée sur la vitesse de la lumière, quelle que soit le caractère de limite théorique que l’expérience nous conduit à conférer à cette dernière, elle repose sur l’idée fausse a priori que l’on ne puisse être observateur de quoi que ce soit sans lumière. Or Heisenberg évoque dans un autre passage de son livre le point suivant : « Drude avait évoqué la possibilité, existant en principe, de construire un microscope possédant un pouvoir de résolution extrêmement élevé, à l’aide duquel on pourrait voir directement la trajectoire de l’électron. Un tel microscope ne pourrait certes pas opérer au moyen de la lumière visible [je souligne], mais peut-être au moyen de rayons gammas durs. » (114) L’expérience peut donc – et c’est ma première remarque – conduire elle-même à infirmer la négation empirique contenue dans l’abandon de la simultanéité absolue.

Or – c’est ma seconde remarque – la lumière est une notion empirique, et de l’expérience nous ne pouvons tirer aucune affirmation ni aucune négation apodictique, c’est-à-dire absolument et inconditionnellement nécessaire.

Cette relativisation est donc bien plus pertinente quand elle consiste à dire qu’il ne peut y avoir de simultanéité absolue parce qu’il ne peut y avoir de vitesse infinie, car ainsi c’est une négation a priori : de l’impossibilité a priori d’une singularité telle que la vitesse infinie d’une partie du monde physique résulte nécessairement l’impossibilité a priori de la simultanéité absolue (car les mesures diffèrent alors toujours entre observateurs en mouvement relatif les uns par rapport aux autres).

Cependant, même l’impossibilité a priori d’une vitesse infinie n’entraîne pas a priori l’impossibilité a priori de la simultanéité absolue. En effet, si l’on imagine un être omniscient, la vitesse de transmission des événements est indifférente à la perception de la simultanéité par cet être. L’idée que la simultanéité absolue ne dépend pas de nos perceptions n’est pas contradictoire avec le caractère relatif de toutes nos perceptions et mesures respectives. « L’idéal d’objectivité de la vieille physique » n’est nullement remis en cause par la nécessité reconnue de corriger toutes nos mesures par la vitesse de transmission des signaux qui rendent nos mesures possibles. Une telle conclusion était tirée par les cheveux, précipitée et, à vrai dire, irréfléchie. La notion de simultanéité absolue a en physique un caractère instrumental, elle n’existe qu’eu égard à des mesures ; qu’elle ait contribué à fausser les mesures dans un certain champ donné de l’espace physique ou un certain éventail de conditions physiques, n’implique pas et ne peut pas impliquer que l’idée de simultanéité absolue elle-même soit épistémologiquement ou philosophiquement fausse. En réalité, nous ne pouvons même pas concevoir une telle idée comme fausse, car ce qui arrive en même temps, arrive en même temps : ce qui est simultané n’a pas besoin d’un observateur pour l’être. De même qu’Einstein affirmait que « Dieu ne joue pas aux dés » (selon Heisenberg, Einstein « ne pouvait pas se résigner à accepter les relations d’incertitude » de la mécanique quantique [116]), on peut dire aussi que Dieu n’a pas besoin d’interrupteur.

Des limitations constatées de l’expérience, il n’est pas permis de tirer des conclusions sur la connaissance a priori.

Il en découle que l’interprétation de Copenhague sur le principe d’incertitude de Heisenberg est elle-même fausse.

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Heisenberg explique qu’il était réticent à s’engager dans des interprétations originales de notions telles que l’espace et le temps (dont on a vu dans notre essai sur la relativité que ceux qui défendaient de telles interprétations, notamment au sein du milieu scientifique, ne les ont pas maintenues, et pour cause, cela n’était pas possible). Kant passe pour avoir été le grand obstacle à la conversion aux « idées » nouvelles :

« Je ne veux pas me référer ici à Kant qui considère l’espace et le temps comme des formes de représentation existant a priori, et concède ainsi à ces formes fondamentales – telles qu’elles étaient consacrées aussi par la physique d’autrefois – une valeur absolue. Je veux simplement souligner que notre langage et notre pensée deviennent moins sûrs lorsque nous modifions des notions aussi fondamentales, et la compréhension n’est guère compatible avec un tel manque de sûreté. » (50-1)

Heisenberg écarte donc l’influence de Kant dans l’explication de sa propre réticence, mais il associe tout de même la philosophie kantienne à la « physique d’autrefois », celle qui n’existerait plus depuis lors, car cette physique d’autrefois et la philosophie kantienne partageraient la même valorisation absolue des notions d’espace et de temps.

Or, que, pour la physique, l’espace et le temps aient jamais été conçus comme des formes de représentation existant a priori, c’est ce qu’il n’est pas permis de dire. Il y a plusieurs façons d’écarter la remarque. La première est que la question de la nature a priori ou empirique de l’espace et du temps est complètement en dehors du champ de la science physique, dont aucune hypothèse sur l’espace et le temps ne pourrait contredire le fait, s’il était avéré, que l’espace et le temps sont des formes a priori de la connaissance.

La deuxième, c’est que cette question, même dans le cas où elle pourrait être tranchée un jour dans le cadre des méthodes scientifiques, relève à ce stade, pour l’ensemble des travaux de la physique, d’une hypothèse indifférente (suivant la définition de Poincaré dans La science et l’hypothèse).

La troisième, c’est que, si l’hypothèse de l’espace et du temps comme formes a priori de l’intuition contraint ou inhibe le travail du chercheur, elle ne le fait ni plus ni moins que les singularités.

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Dans le titre de cet essai, nous parlons de « mécanique quantique » mais c’est par une facilité de langage qui ne doit pas occulter le fait que Heisenberg est en réalité l’inventeur de ce que l’on appelait encore à l’époque la « nouvelle mécanique quantique », laquelle a abandonné les orbites électroniques à l’intérieur des atomes (93-4).

Dans le modèle planétaire de l’atome (Bohr-Rutherford), l’orbite électronique n’est pas newtonienne mais quantique, et ce sont ces conditions quantiques qui assurent la stabilité de l’atome et de la matière. Cependant, dans la méthodologie de ce modèle, l’orbite est calculée selon la mécanique classique puis se voit conférer, à l’aide des conditions quantiques, une stabilité qu’elle n’aurait pas selon la mécanique classique ; d’où des « hypothèses qui contiennent des contradictions » (59).

Avec la nouvelle mécanique quantique, Heisenberg abandonne les orbites électroniques, même si celles-ci sont (prétendument) observées dans une chambre de Wilson (93-4). C’est la remise en cause par Heisenberg de ce qui était réellement observé dans la chambre de Wilson qui l’a conduit aux relations d’incertitude (113). (Plus tard, il accepte le fait que la chambre de Wilson prouve l’existence de l’antimatière [181].)

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Venons-en à la discussion entre Grete Hermann, Heisenberg et Weizsäcker.

i

Après les explications qu’elle reçoit sur la nature de la mécanique quantique, Grete Hermann réplique : « Comment peut-il donc se faire que la mécanique quantique tende d’un côté à rendre moins stricte la loi de causalité, et d’un autre prétend encore rester une science ? » (165) et « À partir du fait que, pour un événement déterminé, on n’a pas encore trouvé la cause, on ne peut certainement pas tirer la conclusion qu’une telle cause n’existe pas. » (165-6)

À quoi Heisenberg répond que l’électron se meut forcément dans telle ou telle direction sans cause, que les paramètres qui pourraient servir de cause n’existent pas et ne peuvent pas exister car les connaissances sont en l’état complètes : le paramètre est impossible car il empêcherait le phénomène d’interférence observé de se produire. (La citation, précédée de quelques autres remarques, est renvoyée à la fin du présent essai, en raison de sa longueur ; je la cite intégralement par scrupule, mais en avertissant mon lecteur que sa longueur ne rend pas la présentation de Heisenberg particulièrement limpide pour autant.)

(Ne peut-on imaginer que le paramètre soit en phase avec l’interférence, et détermine la direction de l’électron conformément à l’extinction observée ? Qu’est-ce qui empêche de le penser ?)

Heisenberg précise : « nous sommes persuadés » (165) qu’il n’y a pas de cause au mouvement de l’électron car, to the best of their knowledge, une telle cause est impossible puisqu’elle aboutirait à des contradictions. Comme si un mouvement sans cause n’était pas en soi une contradiction ! La théorie est donc un choix entre des contradictions. Ce choix est justifié a posteriori par des arguments métaphysiques, comme le montre la section ii.

ii

Weizsäcker : « Kant ne pouvait pas prévoir la nouvelle façon d’objectiver les perceptions par la mécanique quantique. » (168)

Il le pouvait, au contraire, puisque notre entendement n’a pas changé. Quoi, ne pouvait-il pas prévoir comment notre cerveau fonctionnerait cent cinquante ans plus tard ? C’est bien ce que Weizsäcker prétend implicitement : « La structure de la pensée humaine change. » (173) Weizsäcker a donc compris au cours de la discussion qu’il ne pouvait maintenir son « Kant ne pouvait pas prévoir… » que si la pensée humaine avait été conduite (ou était de façon générale conduite au cours de l’évolution) à changer de manière structurelle. Or une chose est certaine, c’est que la structure de la pensée n’a pas plus changé que l’œil, l’oreille ou la main de l’homme dans ce laps de temps. Au fond, Weizsäcker explique que les nouveaux problèmes qui se présentent à la pensée changent la structure même de celle-ci, mais alors pourquoi ne changent-ils pas aussi l’œil de l’homme, en le rendant par exemple plus perçant pour l’aider à voir les atomes ? Dire que la structure de la pensée a changé parce que les problèmes ont changé, c’est se priver de tout critère de la vérité, car alors je ne pense jamais que dans une structure de pensée relative et déterminée par des problèmes empiriques.

iii

Weizäcker : « Lorsque nous utilisons des concepts tels que ‘chose’, ‘objet de la perception’, ‘instant’, ‘simultanéité’, ‘extension’, etc., il est toujours possible de définir des situations expérimentales où ces concepts nous conduisent à des difficultés. Ceci ne signifie pas que ces concepts ne constituent pas tout de même le fondement de toutes nos connaissances expérimentales ; mais cela signifie qu’il s’agit d’un fondement qui doit à chaque fois être analysé de façon critique, ce qui ne peut justifier des exigences absolues. » (171)

Weizsäcker adopte donc une certaine position de compromis. On se demande, toutefois, quel peut être le critère de l’analyse critique qu’il propose. Il n’est pas certain qu’il en ait une quelconque idée ; simplement, il a besoin d’une analyse critique, entendons par là qu’il a besoin de mettre certaines notions fondamentales, comme la loi de causalité, entre parenthèses, au moins provisoirement, quand elle ne peut trouver sa place dans un schéma déjà complet où les mouvements des électrons doivent par conséquent rester sans cause…

Que la mécanique quantique, sur cette base, passe prétendument de lois déterministes à des lois statistiques de la physique, n’est cependant pas non plus une révolution intellectuelle majeure en dehors de la physique (qui n’avait apparemment jamais utilisé les lois statistiques de façon aussi poussée auparavant).

La pensée de Heisenberg et les interprétations philosophiques courantes de la mécanique quantique souffrent d’une confusion concernant la relation entre causalité statistique et causalité mécanique. « Les lois de la théorie quantique fixent, par une formulation mathématique, la fréquence statistique des processus. » (325) Ce résumé montre que la mécanique quantique n’est pas moins déterministe a priori que les autres domaines de connaissance où l’on applique des méthodes de calcul statistiques, car un tel résumé peut s’appliquer à n’importe quel domaine où l’on recourt aux fréquences statistiques.

La statistique est déterministe. « Les méthodes statistiques ont étendu leur champ d’application à tous les domaines dans lesquels le grand nombre et l’enchevêtrement des facteurs de variation exigent une technique d’interprétation basée sur les connaissances des ‘lois du hasard’. » (André Vessereau, La statistique, 1996) et « Le calcul des probabilités considère le hasard comme irréductible à toute cause susceptible d’être isolée. Dans l’étude d’un phénomène naturel, on se propose au contraire de déceler le maximum de facteurs de variation, et de les mettre ‘sous contrôle’ : l’idéal serait de représenter fonctionnellement toute valeur susceptible d’être observée par les facteurs qui la conditionnent. Le hasard est considéré comme l’ensemble de tous les facteurs qui ne peuvent pas, ou qui n’ont pas encore pu, être identifiés. » (Ibid.) Si la physique des particules exige un traitement statistique du problème, plutôt qu’un traitement mécanique traditionnel dans cette branche des sciences, pour les mêmes raisons que l’on a été conduit à recourir aux méthodes statistiques dans d’autres domaines, ce fait ne rend pas la loi de causalité plus précaire épistémologiquement, ni en physique ni ailleurs, que ne l’avait fait l’emploi de ces méthodes dans leurs autres domaines auparavant.

Certes, dans le cas de la mécanique quantique, cette interprétation découle du cas de figure présenté, où le mouvement des électrons « ne peut pas » avoir de cause (mécanique). Mais cette absence de cause au mouvement des électrons repose sur la conviction des auteurs de cette recherche (Heisenberg et al.), qui déduisent l’absence de causalité mécanique d’un raisonnement qui fait lui-même fond sur la loi de causalité (loi qui est une catégorie a priori de notre entendement et dont on ne peut tout simplement pas se passer dès lors que l’on pense) : la loi de causalité entraînerait nécessairement (c’est-à-dire selon un raisonnement de cause à effet) des contradictions (et les contradictions sont une infraction à une autre catégorie a priori de la logique transcendantale, le principe du tiers exclu). Comment la causalité peut-elle être suspendue dans le monde physique, quand elle ne peut l’être dans l’entendement par lequel le monde physique nous est connu ? Dans cette interprétation, la loi de causalité est abandonnée pour conserver le principe du tiers exclu, mais ce choix entre deux catégories a priori est arbitraire, car impossible. Dès lors, on recourt à un « La structure de la pensée humaine change » qui n’explique rien.

De même qu’en statistique des populations, par exemple, la méthode statistique n’écarte nullement le fait que les phénomènes agrégés dont elle traite et qui sont soumis à des lois statistiques pourraient, pour une capacité supérieure, être décomposés selon leurs multiples chaînes causales, les lois quantiques ne remettent pas en cause la causalité mécanique (parce des lois empiriques ne peuvent pas remettre en cause une condition a priori de la connaissance), et que le phénomène « observé » qui a conduit, en physique, contrairement à ce qui s’est produit en statistique des populations, à y renoncer, est une simple interprétation provisoire, et de fait épistémologiquement incorrecte.

Cette interprétation est elle-même le résultat de la nature paradoxale, en physique, de la lumière conçue comme corpusculaire et ondulatoire. Cette situation insatisfaisante ne peut manquer – on le constate ici (cf. citation infra) – de provoquer des difficultés épistémologiques en cascade. La lumière n’a pas encore reçu sa définition physique adéquate. En l’occurrence, s’il y aurait des paramètres en trop dans le cas où l’on pourrait déterminer une cause mécanique du mouvement de l’électron, c’est parce que l’électron est paradoxalement un corpuscule et une onde à la fois (comme cela ressort de la citation ci-dessous.)

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Citation de La partie et le tout

Heisenberg (en réponse à Grete Hermann) : Nous estimons que notre connaissance est déjà complète. Car d’autres expériences que nous pouvons faire également sur cet atome de radium B font apparaître qu’il n’existe pas d’autres paramètres de détermination pour cet atome que ceux que nous connaissons déjà. Je vais expliquer ceci de façon plus précise : Nous venons de constater que l’on ne sait pas dans quelle direction l’électron sera émis ; à quoi vous répondez qu’il convient de chercher d’autres paramètres qui déterminent cette direction. Mais supposons que nous ayons effectivement trouvé de tels paramètres ; nous nous heurtons alors à la difficulté suivante. L’électron émis peut tout aussi bien être considéré comme une onde de matière rayonnée par le noyau atomique. Une telle onde peut déclencher des phénomènes d’interférence. Supposons par ailleurs que les parties de l’onde qui sont de prime abord émises par le noyau atomique selon des directions opposées soient amenées à interférer à l’intérieur d’un appareillage spécialement conçu dans ce but, et qu’à la suite de cette interférence une extinction se produise dans une direction déterminée. Ceci signifierait que l’on peut prédire avec certitude que l’électron ne sera finalement pas émis dans cette direction-là. Mais si nous avions trouvé d’autres paramètres qui nous auraient appris que l’électron est émis par le noyau atomique selon une direction tout à fait déterminée, le phénomène d’interférence ne pourrait pas se produire du tout. L’extinction due à cette interférence ne pourrait pas non plus se produire, et par conséquent la conclusion à laquelle nous avons abouti il y a un instant ne pourrait pas être maintenue. Et cependant, l’extinction est effectivement observée expérimentalement. Cela signifie que la nature nous informe que les paramètres de détermination évoqués n’existent pas, que notre connaissance est déjà complète sans paramètres supplémentaires. (Chap. X, pp. 166-7)

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