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Seconde révolution quantique : Les particules et les champs n’existent pas ! La « déchirure ontologique » dans la matière et la revanche de Platon
Par Bernard Dugué octobre 2013

Cet article est repris, avec l'accord de l'auteur, que nous remercions, de Agoravox. Nous laissons à Bernard Dugué la seule responsabilité de ses analyses.
Automates Intelligent

Dans un brillant et provocateur article du Scientific American daté de juillet 2013, le philosophe de la physique Meinard Kuhlmann s’interroge sur la nature profonde du réel tel qu’il peut être déduit des théories quantiques les plus abouties. Le fond de ce questionnement n’est pas physique, il est ontologique et la démarche est on ne peut plus philosophique. Car le principe même de la philosophie est de considérer que rien ne va de soi et qu’il faut tout examiner, surtout quand les choses ne tombent pas sous le sens (commun). Ce qui est le cas des théories quantiques. D’après Kuhlmann, les physiciens pensent que le monde qu’ils étudient (matière et cosmos) est composé de particules et de champs. Or, cette conception n’a rien de certain car la « réalité » des particules et des champs n’est pas aussi claire que cela apparaît dans les théories. Le monde pourrait être tout aussi bien être composé d’un spectre de propriétés (de qualités) comme les formes ou les couleurs. Cette hypothèse va à contresens de la conception quantique réaliste qui accorde un statut ontologique aux particules et aux champs. Elle est discutée dans cet article d’un accès plutôt difficile mais moins que le travail original dont est extrait ce texte et qui a été rédigé par le même Kuhlmann dans la prestigieuse Encyclopédie philosophique de Stanford (en libre accès sur Internet).

La physique quantique se décline en deux grandes théories, la première axée sur les particules et développée à la fin des années 1920 avec un consensus sur l’interprétation acquise en 1927 (congrès Solvay). C’est cette théorie qui a popularisé la thèse du doublet particule et onde, dont le comportement est formalisé par la fameuse et énigmatique équation de Schrödinger. Laquelle étendue au contexte relativiste par Dirac a permis de faire apparaître une solution à énergie négative qui représente le positron, particule d’antimatière découverte grâce aux chocs à hautes énergies produits dans les accélérateurs. L’autre branche canonique de la physique quantique a été développée jusque dans les années 1970. C’est la théorie quantique des champs, aboutissant au modèle standard avec deux formalisations, la QED qui décrit l’interaction électromagnétique et la QCD qui concerne l’interaction forte avec les quarks et les gluons. Les degrés de libertés sont infinis (comme du reste certains calculs qu’il faut « renormaliser ») Les physiciens imaginent alors le monde à l’image d’un jeu de lego animé, avec des particules qui s’entrechoquent et se déplacent en fonction des forces qu’elles subissent tout en les générant. Au final, le public instruit pense que le monde est fait de ces forces, particules et champs ou du moins de quelque chose qui y ressemble. Alors que ce n’est pas du tout certain.

Mais où est donc le « schisme » ? Comme le fait remarquer Kuhlmann, le problème ne tient pas à un manque de théorisation des réalités subatomiques, loin s’en faut. La théorie quantique des champs (QFT) a abouti au modèle standard et peut se prévaloir d’une efficacité inouïe pour prédire certains résultats avec une précision qui la place au sommet des théories scientifiques sur ce point. Un golfeur aussi précis pourrait mettre la balle dans un trou situé sur la planète mars. D’où une situation assez étrange car malgré cette théorie qui n’a fait qu’accumuler des succès expérimentaux et qui est d’une précision incroyable, les physiciens ne savent toujours pas quelle est la réalité qu’elle décrit. Ils savent l’utiliser mais sans comprendre ce qui se trame derrière, autrement dit ce qu’elle révèle de la nature. Cette physique triomphe en laissant derrière elle une métaphysique très incertaine, pour ne pas dire absente.

La QFT repose sur les particules et les champs. Sans entrer dans des options ontologiques radicales, les fondateurs de la théorie quantique des champs ont quand même réfléchi sur la question des « primautés ontologiques ». Avec une question, qu’est-ce qui est antérieur du point de vue ontologique ou à défaut, épistémologique, la particule ou le champ, autrement dit quelles sont les briques basiques du monde physique ? Cette interrogation est légitime et découle logiquement du formalisme si l’on cherche à interroger la réalité qu’il représente ou alors la manière dont sont construites les théories quantiques. Cette alternative a engendré deux camps. Dirac, Heisenberg sur le tard, Feynman et Wheeler choisissent les particules ; Pauli, Heisenberg à ses débuts, Tomonaga et Schwinger placent le champ en premier (N.P. Landsman, 1996, “Local quantum physics,” Studies in History and Philosophy of Modern Physics, 27 : 511-525). Cette interrogation, je la pose différemment, avec un élément de compréhension supplémentaire sur l’alternative entre les particules qui sont la source du champ ou alors l’inverse, le champ qui est la source des particules. Difficile de choisir. Les uns diront que toute particule engendre un champ, électromagnétique si elle est chargée, fort si c’est un hadron, etc. Ou alors comme on peut le déduire de la QED que la particule constitue une excitation du champ. Au final on se retrouve dans une situation assez comparable à la conjecture de l’œuf et de la poule.

Ni particules, ni champs dans l’ontologie du monde physique

La physique moderne a commencé à concevoir le monde comme des objets solides en mouvement et en interaction dans un espace-temps paramétré, le tout étant représenté par une mécanique où les objets massiques sont représentés par des points matériels. Cette conception a été balayée par la mécanique quantique. La nature physique est alors conçue avec des particules et des champs. La particule est ce qui a remplacé les masses alors que le champ quantifié a supplanté l’espace-temps. Une analyse épistémologique permettrait de saisir le souci des physiciens préoccupés de maintenir une représentation qui se raccorde à l’ancienne physique et surtout, au monde dit « classique » que nous percevons. Un examen de quelques recherches récentes dévoile une troisième étape dans la conception de la nature avec cette fois les particules et les champs qui passent au travers des mailles de la spéculation ontologique.

C’est David Malament, philosophe de la physique, qui dans un article paru en 1996 a rigoureusement instruit la mise en examen de la particule en analysant de très près la théorie quantique dans un contexte relativiste. Pour tracer une conclusion nette. Il ne peut pas y avoir de théorie quantique relativiste des particules localisables. Ce constat était plus ou moins accepté par les physiciens. Il a été formulé de manière rigoureuse par Malament, puis prolongé par les travaux de Gerhard Hegerfeldt et confirmé par deux philosophes de la physique dont les investigations conduisent à penser que seule la théorie quantique des champs explique la possibilité de détecter des particules (H. Halvorson, R. Clifton, Philosophy of science, 69, 128, 2002). Ces recherches sont très spéculatives mais elles ont pour visée de comprendre la nature. Il en découle que cette nature ne peut pas être représenté par une théorie quantique relativiste avec des particules localisées alors que la relativité est essentielle à la représentation de notre monde matériel. Si une mécanique quantique relativiste des particules est possible, alors les particules ne sont pas localisables. Ce qui conduirait à une ontologie des champs, éventualité que Halvorson refuse car elle n’a pas de fondement sérieux. Elle est tout au plus plausible. La conclusion principale étant que concevoir dans un contexte quantique et relativiste d’une particule localisable est une fiction dixit les deux auteurs de cette investigation. Ce qui n’étonne guère car le « quantique » et le « relativiste » semblent décrire deux univers inconciliables.

Cette incompatibilité n’a cessé d’intriguer les physiciens depuis 80 ans. Tout en suscitant une masse considérable de travaux théoriques mobilisant les mathématiques les plus ésotériques. Un regard philosophique de la situation pourrait suggérer que le schisme réside dans le fait que la théorie quantique représente une réalité détachée de son contexte et en quelque sorte, une sorte de morceau de la matière détachée par la représentation et l’expérience. Il en découle alors une perte d’information. Cette conjecture est en fait celle de la partie et du tout. Elle est la conjecture universelle qui hante la science moderne depuis près d’un siècle. Un point névralgique qui concerne le réductionnisme. Et pas seulement en sciences physique car le problème est encore plus sérieux en biologie.

Revenons à notre propos. Partie et tout, particule et champ. Si l’interprétation ontologique des théories quantiques en terme de particules semble interdite, peut-on alors placer le champ comme élément ontologique déterminant. La réponse est négative si l’on suit les arguments développés par David Baker (in : British Journal of Philosophy of Science, 60, 585-309, 2009). Il apparaît que les deux arguments les plus puissants utilisés contre une « ontologie des particules » servent également à invalider une « ontologie des champs ». Et donc, la conclusion tirée de l’interprétation ontologique de la QFT est, ni particules ni champs. Il y n’a pas de monde physique qui puisse être causé par une configuration obtenue par un ou plusieurs champs fondamentaux. Comment alors faire avancer le questionnement ontologique en prenant comme point de départ la QFT ? Baker suggère d’explorer des alternatives théoriques mettant en position centrale l’algèbre des observables. Ce qui est le cas de l’AQFT, la théorie algébrique quantique des champs.

Trois choses à retenir sur l’AQFT

Particules ou champs ? Eh bien la question n’aurait plus d’intérêt si l’on écoute Kuhlmann pour qui actuellement, le champ théorique est prêt pour une discussion de fond où en fin de compte, l’alternative « particule - champ » serait largement dépassée au profit d’une conception ontologique inédite découlant d’une autre alternative, cette fois entre deux options issues du développement mathématique de la QFT. Plus précisément, nombre de philosophes ayant scruté la QFT refusent à la fois une ontologie des particules et une ontologie du champ. En plus, la QFT existe dans une version axiomatisée considérée comme alternative. Cette affaire est extrêmement compliquée si l’on veut accéder aux détails mathématiques utilisés dans les théories. On peut néanmoins suivre la présentation donnée par Kuhlmann dans l’encyclopédie de Stanford. La théorie quantique des champs est susceptible d’être développée dans deux directions. CQFT, avec le C signifiant conventionnel, ou bien AQFT, le A signifiant algébrique car ce développement utilise les C*-algèbres, ou bien axiomatique, ce qui n’empêche pas de voir dans A le volet alternatif de cette théorie. Dont on retiendra trois points.

I. D’abord un contexte épistémologique lié à la théorie quantique des champs qui, au moment de son développement, a révélé des déficiences, dès les années 1930. Malgré les succès de la QED grâce à Feynman, ses diagrammes et la renormalisation, les puristes ont vu dans la théorie quantique des champs un manque de rigueur. Ainsi, au cours des décennies 50 et 60, des approches algébriques de la QFT ont été développées par de brillants physiciens et mathématiciens dont Daniel Kastler (fils du Nobel Alfred Kastler), co-auteur en 1966 avec Rudolf Haag d’un des articles de physique mathématique les plus cités et portant sur l’AQFT. Ce qui était une manière de placer la QFT sur d’autres rails.

II. Ensuite, un détail en première analyse sans importance, la non équivalence des deux représentations, la conventionnelle CQFT et l’algébrique ou axiomatique AQFT (cette absence d’équivalence se produit pour la QFT car les degrés de libertés sont infinis mais pas pour la MQ ordinaire). Mais si l’on creuse les deux représentations en questionnant leur signification du point de vue physique (et non plus mathématique), alors on s’aperçoit qu’il existe des différences. Ce qui selon Kuhlmann rend la situation moins claire. Il n’est pas légitime de faire un choix en examinant la représentation qui convient le mieux, comme s’il s’agissait de deux cadres référentiels ou d’un ensemble de coordonnées. Ce constat en apparence sibyllin laisse deviner l’enjeu lié à ce choix. Il est ontologique. De ces représentations découlent deux manières de concevoir et comprendre le monde physique, autrement dit de répondre à la question : qu’est-ce que la matière ? On devine alors que c’est en prenant appui sur la représentation algébrique que Kuhlmann s’oriente vers une vision du réel dont les éléments les plus fondamentaux (basiques) ne sont pas les particules ou les champs mais des qualités ordonnées avec des relations (l’algèbre des observables)

III-a. Enfin, le contenu mathématique des représentations utilisées en QFT marque une différence importante. Ce ne sont plus les observables qui constituent les éléments mathématiques basiques de la « physique quantique » (le monde réel si on veut) mais l’algèbre des observables. Ce qui confirme le déplacement ontologique depuis le doublet particule-champ vers une conception dominée par les relations. Le monde est alors constitué d’un « filet » ou mieux encore, d’un « tissage » de relations (net), autrement dit, pour simplifier, de structures, ce qui conduit à un réalisme structural comme « philosophie de la matière », comme le résume si bien Kuhlmann dans le Scientific Américan, ajoutant que nous ne connaissons pas les choses telles qu’elles sont en elles-mêmes, mais les relations qu’elles nouent, qu’elles tissent entre elles.

III-b. Ce dernier point résume l’aspect révolutionnaire du point de vue épistémologique et ontologique contenu dans la AQFT. Les objets basiques de la « nature quantique » ne sont plus les états observés mais les observables structurées par un réseau de relations formelles. Plus précisément, c’est l’état qui opère sur l’algèbre des observables pour générer les « nombres » que l’expérience mesure. C’est donc un renversement complet et c’est sans doute la seconde révolution quantique, 70 ans après les travaux de Schrödinger, Dirac, Heisenberg et les autres.

Perspectives à venir

Kuhlmann conclut son article en interrogeant le rapport entre physique et métaphysique, plaidant pour une utilisation des théories physiques ne se réduisant pas à un usage empirique. Autrement dit, la physique des champs nous permet d’accéder à la connaissance fondamentale de la nature. Voilà pourquoi la QFT suscite des controverses si intenses malgré ses incroyables succès empiriques. On aurait pu s’en contenter mais les philosophes et les théoriciens de la physique sont curieux, insatisfaits et veulent en savoir plus. La combinaison de la physique et de la philosophie ouvre alors un champ de réflexion inédit. Des tonnes d’articles et d’essais ont été publiés sur la mécanique quantique et la cosmologie mais c’est seulement maintenant (ou récemment) que la philosophie et la physique se mettent à explorer une réalité inédite avec la théorie quantique des champs, longtemps restée en dehors du champ philosophique sans doute à cause de sa difficulté d’accès. Il est peut-être temps de prendre une « honnête » distance avec la MQ et le modèle standard en analysant le développement algébrique de la théorie des champs qui semble-t-il, ouvre vers un accès inédit au réel. Autrement dit, le grand enjeu de la physique n’est pas le boson de Higgs que l’on nous rabat dans les médias mais l’AQFT.

Hans Halvorson, brillant philosophe rompu aux mathématiques des champs, s’intéresse lui aussi à la théorie quantique des champs axiomatisée. Dans un long développement de 200 pages, il introduit le sujet en faisant remarquer que parmi les physiciens spécialisés dans la théorie quantique des champs, QFT (et qui ne sont pas nombreux), ceux qui travaillent sur la version axiomatisée (AQFT) sont très peu nombreux. Mais qu’il y a des raisons profondes expliquant l’intérêt de quelques philosophes envers ces formalismes censés représenter la nature physique. Il suggère que les philosophes sont déconcertés par le positionnement de la QFT dans l’univers des mathématiques et qu’ils n’ont qu’une alternative face à cette « inintelligibilité » de la QFT ; soit se taire ou bien explorer une autre voie permettant l’interprétation de la théorie et c’est justement ce que permet l’AQFT, la meilleure théorie (dixit Halvorson) permettant de comprendre l’émergence de la QFT, autrement dit et je n’espère pas me fourvoyer dans cette lecture, une métathéorie en correspondance avec une métaphysique qui se dessine en parallèle avec cette métathéorie. Conduisant à penser la nature physique comme tissage des relations entre qualités et propriétés. Et non plus des particules et des champs dont les « existences » ont été réfutées par Halvorson et les autres hussards de la « philosophie quantique ».

Pourtant, on observe bien les particules dans les accélérateurs. L’expérience consiste à réaliser des chocs entre particules accélérées à des énergies colossales. Cette énergie produit lors du choc une déformation du « champ quantique » produisant des singularités à haute énergie (particules) dotées d’une durée de vie éphémère mais suffisante pour laisser une trace dans la chambre de détection). C’est la « matière quantique » qui est ainsi déchirée. D’un autre côté, l’expérience quantique conduit bel et bien à mesurer des états quantiques liés à un processus microphysique, qu’on sait être « porté » par une particule. En vérité, ces choses ne sont pas niées, pas plus que la structure du champ quantifié. Ce qui est rejeté, c’est l’idée que champs et/ou particules puissent être compris comme composants basiques de la nature physique.

On comprend que les implications philosophiques et même métaphysiques ne sont pas anodines et que ces questions de tissage de relations entre propriétés rappellent étrangement les philosophies orientales, le taoïsme notamment et les premières pistes tracées par Capra lequel basait ses réflexions sur la philosophie du bootstrap par Chew, auteur d’un retentissant article dans Nature en 1968, sorte de prodrome aux spéculations ontologiques issues de la théorie quantique des champs. Mais c’est plutôt du côté de Platon qu’on ira chercher des correspondances. Car l’algèbre des observables renvoie au monde intelligible. Les Idées de Platon seraient déterminées par un ordre algébrique. Et donc tissées entre elle par des relations. L’état quantique correspondrait alors à la part énergétique, matérielle si on veut, permettant d’opérer sur l’algèbre pour les exprimer, les matérialiser pour ainsi dire, les faire passer dans le monde sensible, au prix d’une déformation mais en conservant un peu de l’ordre intelligible (les nombres exprimés par les états quantiques). Pour Platon, il y a en effet une « communication » entre l’intelligible et le sensible qui s’y rapporte sans en exprimer la quintessence ni en revendiquer la « gloire idéelle ».

Pour aller plus loin, je vais tenter d’interpréter ces spéculations quantiques qui entrent en relation ou connivence avec des considérations métaphysique développées il y a quelque temps, avec la Raison algébrique qui dans le principe ressemble de près à l’algèbre des observables, sauf qu’elle s’applique aux fonctions de l’esprit et à l’histoire de la pensée et des hommes (L’Expressionnisme, L’Harmattan, 1998). Il y est question de miroirs métaphysiques, ce qui offre un rapprochement avec l’involution qui est un élément déterminant des C*-algèbres. Plus exactement, une involution est une fonction qui, appliquée à un élément deux fois, permet de revenir au même élément. Par exemple, passer de x à moins x, ou bien conjuguer un nombre complexe, (A*)* = A. C’est ce qu’on peut appeler une « fonction en miroir ». Cela étant, un autre rapprochement peut-être fait avec la métaphysique expressionniste que j’ai développé et qui postule que le monde perceptible et étendu est un champ d’expression causé par un monde plus fondamental, celui du Procès. D’autres développements ontologiques sont à prévoir. Il faudra sans doute que je revienne sur mes spéculations métaphysiques de 1996 où des liens étranges se dessinent avec l’AQFT.

Pour généraliser, on peut penser à un triptyque physique ou métaphysique avec cette fois une correspondance avec l’entropie-information déclinée en trois catégories, énergétique, spatiale et organisationnelle. La particule s’exprimant dans le champ (d’action, d’expression, d’observation) porte une information-énergie. Le champ avec sa structuration relève de l’information spatiale alors que le monde représenté par l’algèbre des observables contient une sorte d’ordre informationnel. Ces considérations ouvrent également des perspectives pour comprendre la logique du vivant. Un enjeu pour les prochaines décennies. On le comprend dès lors qu’on saisit la nouveauté de l’AFQT qui impose de revoir la conception triviale du monde moléculaire avec les atomes et les particules.

Le principal enseignement à retenir, c’est que la représentation et la compréhension de l’univers acquises depuis les débuts de la science moderne au 17ème siècle sont sur le point de basculer. Le monde avec ses objets basiques, ses interactions, ses forces, perd son statut ontologique. Le champ matériel et l’étendue ne sont que des propriétés dérivées et non plus fondamentales, même en les considérant sous l’angle des théories quantiques conventionnelles. L’illusion scientifique moderne s’effondre Elle a consisté pendant quatre siècles à faire comme si le monde physique étendu de Descartes, Newton puis Einstein, avec l’espace-temps et la matière, était le monde fondamental, un peu comme si on observait l’écume au dessus des océans pour en conclure que les fonds marins sont fait de cette même écume. Nous ne sommes qu’au début d’une immense révolution des connaissances.